Что такое химическое соединение в химии определение

Что такое химическое соединение в химии определение

Значительную часть вещества каждой клетки составляет вода. У человека содержание воды в различных тканях варьирует от 20% (в кости) до 85% (в ткани головного мозга). Около двух третей общей массы организма человека составляет вода; в организме медузы вода составляет 95%. Вода выполняет в живых системах ряд важных функций. В ней растворено большинство других веществ, для которых водная среда является необходимым условием для вступления в реакцию друг с другом. Вода растворяет «отходы» метаболизма и помогает выведению их из клетки и из организма.

Вода обладает большой теплоемкостью, т. е. способностью поглощать тепло при минимальном изменении своей собственной температуры. Это обусловлено тем, что расположенные рядом молекулы воды, находящейся в жидком или в твердом состоянии (лед), удерживаются вместе водородными связями (рис. 1) и определенное количество тепла расходуется на разрыв этих связей. Таким образом, вода предохраняет клетку от резких изменений температуры.

Вода обладает способностью поглощать большое количество тепла при переходе из жидкого состояния в газообразное, что позволяет организму освобождаться от избытка тепла путем испарения воды. Например, футболист, весящий 100 кг, может потерять за час игры 2 кг воды, испаряющейся при потоотделении. Теплота испарения воды равна 574 ккал/кг, отсюда 574 X 2 = 1148 ккал. Если бы вода не испарялась и все образующееся во время игры тепло сохранялось в организме, температура тела футболиста повысилась бы на 11,5 °С. Характерная для воды высокая теплопроводность создает возможность равномерного распределения тепла между тканями тела. Наконец, вода служит смазочным материалом, необходимым везде, где один орган трется о поверхность другого, а также в суставах.

В отличие от чистых химических соединений (например, воды) механическая смесь состоит из двух или большего числа типов атомов или молекул, которые могут сочетаться в самых различных пропорциях. Воду можно смешать со спиртом в любом соотношении, а воздух представляет собой смесь варьирующих количеств кислорода и азота с небольшой примесью водяного пара, углекислого газа, аргона и других газов. Из этого следует, что каждое химическое соединение должно обладать вполне определенными химическими и физическими свойствами, тогда как свойства смеси меняются в зависимости от относительных количеств ее компонентов.

Электростатические связи обусловлены взаимным притяжением частиц с разноименными зарядами; например, заряженные положительно ионы натрия могут соединяться с отрицательно заряженными ионами хлора, образуя кристаллический хлористый натрий (поваренную соль). Этот тип связи относительно непрочный и легко разрывается.

Водородные связи имеют определенную длину и определенное направление, т. е. образуют совершенно точные геометрические конфигурации, что очень важно в связи с их ролью в формировании структуры таких макромолекул, как белки и нуклеиновые кислоты. Молекулы воды, находящейся в жидком состоянии, удерживаются вместе отчасти благодаря образованию водородных связей. Это объясняется тем, что атом кислорода и два атома водорода расположены в молекуле воды асимметрично, образуя треугольник. Электроны, принадлежащие атомам водорода, сильнее притягиваются к ядру кислорода, чем к ядрам водорода, и поэтому располагаются ближе к кислородному атому. Вследствие этого молекула воды, будучи в целом электронейтральной, имеет небольшой локальный положительный заряд у двух атомов водорода и такой же отрицательный заряд у атома кислорода.

Молекулы с положительным зарядом на одном конце и отрицательным на другом называют полярными. Вещества, построенные из таких молекул, обычно растворимы в воде, так как в результате электростатического притяжения электрически заряженные частицы растворенного вещества окружаются молекулами воды, обращенными к частице теми своими концами, которые несут противоположный электрический заряд. Когда положительно заряженный водородный атом одной молекулы воды оказывается рядом с электроотрицательным атомом (кислородом) другой такой же молекулы, в результате притяжения между ними образуется водородная связь.

Ковалентная связь возникает в том случае, когда каждый из двух соседних атомов передает по одному электрону «в общее пользование», так что эта пара электронов принадлежит одновременно обоим атомам. В отличие от этого при электростатической (ионной) связи один атом отдает электрон другому. Например, при образовании молекулы хлористого натрия атом натрия отдает электрон атому хлора.

Каждый атом водорода, как мы уже знаем, состоит из ядра и одного электрона. Когда два таких атома, соединяясь, образуют молекулу водорода, их электроны «обобществляются», так что первая электронная орбиталь каждого атома оказывается в известном смысле заполненной двумя электронами. В этом случае оба электрона принадлежат в равной степени обоим атомам и вероятность того, что они окажутся ближе к одному ядру, чем к другому, невелика. Такую связь называют неполярной ковалентной связью.

Ангидридные связи углеводов, или гликозидные связи, образуются при отщеплении атома водорода от спиртовой группы одной молекулы сахара и гидроксила от альдегидной группы другой молекулы (рис. 2). Ангидридные связи белков, или пептидные связи, образуются в результате отщепления ОН от карбоксильной группы (-СООН) одной аминокислоты и водорода от аминогруппы (-NН₂) другой аминокислоты. Ангидридные связи жиров, или эфирные связи, возникают при отщеплении группы ОН от карбоксильной группы жирной кислоты и водорода от спиртовой группы глицерина.

Ясное представление о химических связях и их полярности позволяют более четко понимать свойства молекул в живых системах.

Соль можно определить как соединение, получающееся при замещении водородного атома кислоты каким-нибудь металлом.

При растворении солей, кислот или оснований в воде их молекулы разделяются на составляющие их ионы. Растворы, содержащие эти заряженные частицы, способны проводить электрический ток; поэтому эти вещества называются электролитами. Сахара, спирты и многие другие вещества, которые при растворении не распадаются на заряженные частицы и растворы которых поэтому не проводят электрического тока, называются неэлектролитами.

У некоторых животных развились почки и другие органы выделения, позволяющие избирательно задерживать в организме или, наоборот, выводить из него те или иные ионы. Поэтому жидкости тела в известной мере различаются по относительным концентрациям солей, поскольку концентрация ионов каждого типа определяется относительной скоростью поглощения и выделения их из организма.

Помимо этого специфического действия на определенные клеточные функции, минеральные соли играют важную роль в поддержании осмотических отношений между клеткой и окружающей ее средой.

Источник

Химические соединения

Содержание:

Химические соединения – сложные вещества, молекулы которых состоят из двух или более атомов различных элементов, объединенных определенной химической связью.

На странице -> решение задач по химии собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам химии.

Химические соединения

В соответствии с формулировкой периодического закона мы рассмотрели некоторые свойства свободных атомов и простых веществ. На примере аллотропии мы убедились в том, что не только электронное строение нейтрального атома, но также состав и пространственное строение простого вещества определяют его свойства. Аналогичным будет наш подход к рассмотрению сложного вещества.

Если простых веществ известно в настоящее время около 400, то сложных — во много раз больше: около 100 тысяч неорганических, несколько миллионов органических и несколько десятков тысяч элементоорганических.

Они различаются по агрегатному состоянию, по распространению в природе, по способности давать новые образования из того же числа атомов тех же элементов (новые модификации — по аналогии с аллотропией для простых веществ).

Рассмотрим несколько вопросов, важных для понимания природы химического соединения.

Смесь и химическое соединение

Представим себе, что мы взяли мелко раздробленные железо и серу тщательно их перемешали при обычных условиях. Это будет смесь двух простых веществ. Для сравнения возьмем соединение железа и серы — сернистое железо FeS. Мы можем убедиться в том, что свойства атомов железа и серы в соединении отличаются от свойств простых веществ.

Так, железо притягивается магнитом, независимо от того, взяли мы чистое железо или смесь последнего с серой. Соединение (сернистое железо) магнитом не притягивается.

Сера хорошо растворяется в сероуглероде. Соединение FeS в сероуглероде не растворяется.

При действии на смесь соляной кислоты происходит выделение водорода. Взаимодействие сернистого железа с кислотой приводит к образованию сероводорода.

А между тем смесь можно приготовить так, чтобы она по внешнему виду не отличалась от соединения. Однако это лишь внешнее, кажущееся сходство. Внутренние же их отличия велики. Иными словами: смесь только внешне может казаться однородной, химические воздействия показывают ее неоднородность. Химическое соединение — однородно.

Изучение и сопоставление физических и химических свойств смеси и соединения приводит нас к выводу о качественном отличии свойств атомов элементов в смеси (простые вещества) и химическом соединении.

Другая характерная черта химического соединения — наличие связей между атомами разных элементов. В зависимости от составляющих соединения атомов эти связи могут быть ионными, ковалентными и металлическими.

Одна из важнейших характеристик соединения — его форма, его состав.

Простейшая и истинная формула химического соединения

Простейшую формулу можно определить в результате химического анализа, истинную — только имея данные об истинном молекулярном весе соединения. Так, по результатам анализа можно установить простейшую формулу СН, но какому соединению (например, С₂Н₂ или С₆Н₆) она отвечает, сказать нельзя, если неизвестен молекулярный вес соединения. Эти данные о молекулярном весе, строго говоря, можно получить в том случае, если вещество газообразно или может быть переведено в газообразное состояние без разложения или какого-либо другого изменения состава, иными словами, для тех соединений, к которым приложимо понятие молекулы.

Рассмотрим два примера:

Пример 1. При окислении кислородом воздуха 34 г газообразного вещества образовалось 28 г азота и 54 г воды. Плотность этого вещества по водороду равна 8,5. Определить его истинную формулу.

Решение. Вначале необходимо установить количественный и качественный состав вещества.

В 34 г соединения находится 28г азота. Подсчитаем, сколько граммов водорода содержится в 34 г соединения.

В одной грамм-молекуле воды «содержится» два грамм-атома водорода. Так как грамм-молекулярный вес воды равен 18 е, то

Следовательно, соединение состоит только из азота и водорода, так как сумма их весовых количеств составляет

Находим формулу соединения:

Простейшая формула соединения: NH₃.

Однако это еще не окончательный ответ. В условии задачи указана плотность вещества водороду (8,5). Значит, молекулярный вес вещества: М = 2D = 2 * 8,5 = 17. Молекулярный вес NH₃ также 17. Установленная формула оказывается истинной.

Такая проверка оказывается необходимой потому, что часто в химических соединениях истинное отношение чисел грамм-атомов элементов не совпадает в точности с простейшими отношениями, а оказывается кратным им. Особенно часто это встречается в органической химии. Однако и в неорганической химии встречаются подобные примеры. Кроме только что найденного соединения с водородом состава NH₃ (аммиак), азот образует другое N₂H₄ (гидразин), где простейшее отношение N : Н = 1 : 2. Другой пример: Н₂О₂ (перекись водорода), простейшая формула НО.

Пример 2. Число атомов кислорода в соединении вдвое больше числа атомов азота. Плотность соединения по водороду 46. Найти истинную формулу соединения.

Решение. Простейшая формула N0₂. Молекулярный вес этого соединения M NO₂ = 14+32=46. Найдем истинный молекулярный вес:

т.е. он вдвое превосходит тот, который получается из простейшей формулы. Следовательно формула соединения N₂O₄.

Для большинства твердых неорганических соединений (с ионной или сильно полярной связью) можно определить простейшие формулы.

О постоянстве состава веществ

В XIX в. при изучении состава различных веществ выяснилось, что весовые отношения между элементами в сложных веществах всегда постоянны, причем эти отношения являются такими же, как и в одной молекуле этого вещества. Точно так же постоянны и отношение чисел грамм-атомов в одной грамм-молекуле. Более того, числа грамм-атомов в грамм-молекуле относятся друг к другу, как простые целые числа (Дж. Дальтон).

В начале XIX в. французский ученый Пруст установил закон постоянства состава: каждое вещество имеет определенный состав независимо от способа получения.

Несколько ранее другой французский ученый Бертолле утверждал обратное: состав вещества зависит от способа получения. Бертолле установил это, изучая составы сложных солевых систем.

В тот период закон Пруста был подтвержден изучением состава большого числа соединений (окислов, галогенидов, сульфидов металлов), состоящих из атомов двух элементов.

Однако, как впоследствии выяснилось, закон постоянства состава оказался верным лишь в том случае, когда речь идет о веществах, имеющих молекулярное строение (соединения в газообразном состоянии и соединения с молекулярной структурой).

Более совершенная экспериментальная техника позволяет зарегистрировать сейчас отклонения от стехиометрического состава даже у ряда «испытанных» окислов, сульфидов, галогенидов и т. п. Все это еще раз указывает на то, что внешние условия в определенной степени (различной для разных соединений) влияют на состав соединения.

Вот почему приходится говорить об ограниченности действия закона постоянства состава.

Надо сказать, что такой взгляд на химическое соединение, сложившийся в конце XIX и начале XX вв., удалось экспериментальна подтвердить с помощью рентгеноструктурного анализа. Некоторые общие положения были выработаны раньше, главным образом, трудами Д. И. Менделеева и Н. С. Курнакова.

Несмотря на отклонения от стехиометрического состава, наблюдающиеся у многих соединений, мы в дальнейшем не будем принимать их во внимание, следуя закону постоянства состава.

Химические связи в соединениях

Характер химических связей в соединениях зависит от положения элементов в периодической системе и, в первую очередь, от заполнения внешних уровней. Так, хлориды элементов III периода имеют ковалентные связи и лишь в хлориде натрия эта связь имеет типично ионный характер.

Степень смещения электронной пары в связи элемент — хлор можно изобразить следующей схемой:

Иногда характер химической связи изображают следующим образом:

Физические свойства соединений зависят не только от характера одиночной связи (в нашем примере: элемент—хлор), но и от формы соединения. Так, меняется структура веществ (поваренная соль — кристалическое соединение; хлор при обычных условиях — газо-образное вещество, состоящее из двухатомных молекул). Нередко по температурам плавления хлоридов можно составить представление о типе связи. Считают, что ионные соединения плавятся при температурах выше 600° С.

Иное изменение характера химической связи наблюдается в соединениях натрия с элементами III периода: от металлической связи (у натрия) через ковалентную (Na₃P, Na₂S) к ионной (NaCl).

Химические свойства соединений также находятся в зависимости от типа химической связи. Иллюстрацией этого положения могут служить реакции соединений элементов III периода с водой.

До сих пор мы рассматривали химические связи в соединениях, состоящих из атомов двух элементов (бинарные соединения). Между тем известно, что существует большое число и более сложных соединений.

Каким же образом происходит возникновение новых связей? Оказывается, образование сложных соединений является результатом электростатического взаимодействия между исходными соединениями. Нередко существенную роль в возникновении такого взаимодействия играют электронные пары одного из атомов. Так, например, осуществляется образование солей аммония: нейтральная молекула аммиака присоединяет из кислот атом водорода, имеющий окислительное число +1:

В отличие от ковалентной связи, образующейся за счет обобщения двух электронов, принадлежавших разным атомам, эта новая связь образуется за счет предоставления одним из атомов пары электронов. От ковалентной она отличается только своим происхождением, так как в ионе аммония все четыре связи N—Н равноценны. Заметим, что образование новой связи произошло без изменения окислительного числа атома азота (N). Изучении соединений, содержащих ион NHJ, показывает, что этот ион выступает во многих случаях как целое (соли аммония). Более того, образование атомом водорода (окислительное число + 1) новой связи оказывает влияние на его прежнюю связь в соединении с «о-валентной связью (например, в

Если исходные вещества (NH₃ и НСI) являются газообразными при обычных условиях, то хлористый аммоний, как и другие соли аммония, — кристаллическое вещество, имеющее сравнительно высокую температуру плавления.

Электростатические взаимодействия играют большую роль щ только в образованиях новых устойчивых соединений, но в ход различных химических процессов, например, идущих в растворах.

Таким образом, любой химический процесс так или иначе связан с изменением прежних химических связей и возникновением новых. Иногда, как мы это рассматривали уже раньше, реакция идет с изменением окислительных чисел элементов.

Классификация неорганических соединений

Изучение свойств кислородных соединений, проведенное в конце XVIII и первой половине XX в., позволило разработать классификацию кислородных соединений элементов: окислы, основания, кислоты, соли.

Более глубокое раскрытие взаимосвязи между этими классами удалось осуществить в результате открытия периодического закона, теории электролитической диссоциации, теории химической связи.

В этом параграфе мы напомним лишь самые элементарные сведения о классах кислородных соединений. Окислами называются соединения, которые состоят из атомов кислорода и какого-нибудь другого химического элемента. Они подразделяются на солеобразующие и несолеобразующие. К последним относятся: N₂O, NO, SiO. Солеобразующие окислы разделяются на основные, кислотные и амфотерные. Это деление основано на способности, соединяясь друг с другом, образовать соли.

Некоторые основные окислы, соединяясь с водой, образуют основания:

Однако большинство основных окислов с водой не соединяется, при разложении соответствующих оснований получается основной окисел и вода:

Многие кислотные окислы, соединяясь с водой, образуют кислоты:

Некоторые кислотные окислы с водой не соединяются; их можно получить разложением кислоты:

Основные окислы, реагируя с кислотными окислами или кислотами образуют соли:

Кислотные окислы, реагируя с основными окислами или основаниями (точнее: щелочами, т. е. растворимыми в воде основаниями), образуют соли:

Основания и кислоты вступают в реакцию друг с другом с образованием солей

Некоторые вопросы образования солей будет рассмотрено далее на основе теории электролитической диссоциации.

Кроме окислов, существует еще одна группа соединений, которые состоят из атомов кислорода и атомов другого элемента. Это перекиси, которые надо рассматривать как производные (соли) перекиси водорода:

Если окислительное число кислорода в окислах равно — 2, то в перекисях его следует признать равным — 1.

Впервые отличие перекисей от окислов оказалось возможным показать на основе периодической системы элементов Д. И. Менделеева. По сравнению с высшими солеобразующими окислами, в перекисях число атомов кислорода, приходящееся на одно и то же число атомов элемента, больше: Na₂O (окисел), Na₂O₂ (перекись),

Среди солеобразующих окислов выделяется также звено особых окислов: ( и др.).

Процессы образования кислот (и солей), идущие с участием этих окислов, сопровождаются изменением окислительного числа элемента. Например:

в зависимости от условий реакции. Таким образом, если при растворении в воде ангидрида азотной кислоты образуется только азотная кислота

здесь происходит образование еще одного соединения азота. В реакции (3) окислительное число азота не меняется, в реакциях (1) и (2) — меняется:

К этим реакциям мы еще вернемся при изучении процессов окисления — восстановления.

Рассмотренная выше классификация кислородных соединений строилась на основе состава и свойств (способность к солеобразованию) этих соединений. Однако оказалось, что способность образовывать соли присуща не только кислородным соединениям. Наряду с рассмотренными выше кислородными кислотами, существуют кислоты бескислородные. Известно, что водные растворы таких водородных соединений, как: способны взаимодействовать с основными окислами и основаниями с образованием солей:

Кислотные функции соединения — как определила теория электролитической диссоциации — связаны со способностью диссоциировать (разлогаться) с образованием иона водорода.

Таким образом, принцип группировки различных неорганических Соединений по соответствующим классам основывается как на изучении состава, так и на изучении свойств и реакций, идущих с участием рассматриваемых соединений.

Следовательно, результат химического процесса существенно влияет на наши представления о исходных веществах, о принадлежности их к тому или иному классу.

Графическое изображение формул химических соединений

Наглядное изображение связей, существующих между атомами в химическом соединении, издавна привлекало внимание ученых.

Так в органической химии на основе теории строения, разработанной А М Бутлеровым, широко пользуются структурными формулами отличие от валовых формул, описывающих качественный и количественный состав соединения, структурные формулы позволяют наглядно представить, в какой последовательности соединены атомы в молекуле, какие части молекул остаются неизменными, где происходит разрыв химических связей и т. п. Совершенно очевидно, что к графическому изображению сложных соединений можно прибегнуть лишь после того, как определены окислительные числа элементов, изучены свойства соединений (функциональные группы) и определён класс соединения.

Для того чтобы пояснить сказанное, обратимся к конкретному примеру. Хорошо известно, что валовой формулой С₂Н₆О можно представить состав двух соединений: этилового спирта и диметилового эфира. Изучение свойств того и другого позволяет раскрыть различную последовательность связей (формулы строения):

Каждая чёрточка в этих структурных формулах отвечает ковалентной связи, образованной парой электронов (по одному электрону от каждого из связанных атомов).

Остановимся теперь на ряде примеров из области неорганической химии. С этой целью обратимся к рассмотрению кислот хлора — кислородных и бескислородной хлористоводородной (соляной) кислоты.

В молекуле соляной кислоты HCI всего одна связь, соединяющая H и CI парой электронов. При графическом изображении молекулы соляной кислоты, вместо указанной пары электронов, ставится черточка:

Кислородные кислоты хлора являются одноосновными:

В левом столбце мы изобразили формулы кислородных кислот хлора несколько необычно, а именно так, чтобы было удобно перейти от них к структурным формулам. Действительно, валовые формулы, написанные в правом столбце, не дают представления о последовательности связей атомов в молекуле. В каждой кислородной кислоте, из числа тех, которые изучаются в средней школе водород кислоты (т. е. водород, способный замещаться на металл связан с кислородом Н—О—, а кислород, в свою очередь, с cooтветствующим элементом, в данном случае, хлором:

Эта структурная формула составлена не только с учетом класса соединения (кислота), но и соответствует окислительным числам элементов, входящих в соединение (хлорноватистая кислота)

Аналогичным образом составляются структурные формулы остальных кислот хлора. Например:

Пример. Рассмотрим структурные формулы кислородных кислот серы и фосфора: H₂SO₄ и Н₃РО₄.

Решение. Последовательность составления этих формул может быть paзличной. Например, такая:

Графическое изображение формулы можно начинать и по-другому, например с выражения окислительного числа центрального атома:

а затем, размещая остальные атомы

При любой последовательности изображения связей важно, чтобы учитывалось не только окислительное число элементов, но и класс соединения.

Однако графический способ изображения формул химических соединений далеко не полностью передает пространственную структуру соединения. Это замечание распространяется, главным образом, на те соединения, при определении состава которых мы вынуждены ограничиться простейшей формулой (многие твёрдые вещества). Примеры такого рода соединений будут приведены далее)

Кроме того, как мы уже имели возможность убедиться на примере солей аммония, число связей между атомами не всегда совпадает с окислительным числом элементов.

Поэтому графическое изображение формул соединений имеет ограниченное применение. Наиболее целесообразно ими пользоваться при рассмотрении соединений с ковалентными связями, степень полярности которых невелика.

Услуги по химии:

Лекции по химии:

Лекции по неорганической химии:

Лекции по органической химии:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Источник