Химическое соединение

Хими́ческое соедине́ние — сложное вещество, состоящее из химически связанных атомов двух или более элементов. В более широком употреблении, отражённом в Большой советской энциклопедии, к химическим соединениям относят также простые вещества, молекулы которых состоят из атомов, соединённых ковалентной связью (азот, кислород, иод, бром, хлор, фтор). Инертные (благородные) газы как одноатомные простые вещества, а также атомарный водород к химическим соединениям не относятся.

История Для формулирования понятия про химическое соединение важное значение имел закон постоянства состава, обоснованный Жозефом Прустом, в частности, в работе 1799 годаProust, J.-L. (1799). Researches on copper, Ann. chim., 32:26-54. Excerpt , in Henry M. Leicester and Herbert S. Klickstein, A Source Book in Chemistry, 1400—1900, Cambridge, MA: Harvard, 1952. Accessed 2008-05-08.. Этот закон утверждает, что независимо от того, каким образом было получено определённое соединение постоянного состава, оно состоит из одних и тех же химических элементов, причём отношение масс этих элементов постоянно. Через несколько лет, в 1803 году Джон Дальтон сформулировал закон кратных отношений, согласно которому, если два элемента образуют несколько соединений, массы одного элемента, соединяющиеся с одной и той же массой другого, относятся между собой как небольшие целые числа. Эти два утверждения подготовили путь к пониманию атомного строения вещества.

В развитие представлений о химическом строении в 1850-е годы важный вклад внёс немецкий химик Фридрих Август Кекуле фон Штрадониц. В 1858 году Арчибальд Скотт Купер независимо развивал представление о соединении атомов углерода в цепи и изображал химические связи линиями между символами элементов.

Качественный и количественный состав Состав химического соединения записывается в виде химических формул, а строение часто изображается структурными формулами. Систематическое название (номенклатура ИЮПАК) также указывает состав соединения.

В подавляющем большинстве случаев химические соединения подчиняются закону постоянства состава и закону кратных отношений. Однако известны довольно многочисленные соединения переменного состава (бертоллиды), например: вюстит Fe1−xO.

Для установления качественного и количественного состава химического соединения используются различные методы химического анализа (например, колориметрия, хроматография). Эти методы являются предметом изучения аналитической химии.

Отличия соединений и смесей Физические и химические свойства соединений отличаются от свойств смеси простых веществ — это один из главных критериев отличия соединения от смесей простых или сложных веществ, так как свойства смеси обычно тесным образом связаны со свойствами компонентов. Другим критерием отличия является то, что смесь обычно может быть разделена на составляющие нехимическими процессами, такими, как просеивание, фильтрация, выпаривание, использование магнитов, тогда как химическое соединение разлагается на более простые вещества только при помощи химической реакции. И наоборот, смеси могут быть созданы без использования химической реакции, а образование соединения из других веществ требует химической реакции.

Сплавы могут представлять собой твёрдые растворы, смеси фаз или содержать химические соединения. Один из способов получения сплавов — расплавление и смешивание компонентов с последующим охлаждением.

Интерметаллиды — химические соединения металлов, которые могут образовываться в сплавах.

Химические реакции Химические соединения получают в результате химических реакций. Сложные вещества могут разлагаться с образованием нескольких других веществ. Образование химических соединений может сопровождаться выделением (экзотермическая реакция) или поглощением (эндотермическая реакция) теплоты. Физические и химические свойства химических соединений отличаются от свойств веществ, из которых они получены.

Классы химических соединений Химические соединения делят на классы: неорганические и органические. Последние в широком смысле включают в себя элементоорганические соединения: борорганические, кремнийорганические, фосфорорганические и др.

Некоторые виды сложных неорганических соединений: оксиды (H2O, CaO, CO2, P2O5 (P4O10) и др.) гидроксиды: основания (NaOH, Ca(OH)2 и др.) кислородосодержащие кислоты (HNO3, H2SO4, H3PO4 и др.) амфотерные гидроксиды (Al(OH)3, Fe(OH)3У Fe(OH)3 основные свойства преобладают над кислотными. и др.) бескислородные кислоты (HCl, HCN и др.) нитриды (NH3Для аммиака употребляется также название «нитрид водорода» (). , Si3N4 и др.) соли (NaCl, KNO3, Fe2(SO4)3, LiBr и др.) кристаллогидраты: (CuSO4·5H2O и др.) комплексные соединения: (K3[Fe(CN)6] и др.)

Органические вещества

Органические соединения, органические вещества — класс химических соединений, в состав которых входит углерод (за исключением карбидов, угольной кислоты, неорганических карбонатов, оксидов углерода, неорганических цианидов и некоторых других соединений, традиционно относимых к неорганическим)Хомченко Г. П. Пособие по химии для поступающих в вузы. — 3-е изд. испр. и доп. — М.: ООО «Издательство Новая Волна», ЗАО «Издательский Дом ОНИКС», 2000. с. 334. ISBN 5-7864-0103-0, ISBN 5-249-00264-1.

Неорганические вещества

Неорганическое вещество или неорганическое соединение — это химическое соединение, которое не является органическим. Обычно оно не содержит углерода, однако карбиды, неорганические цианиды и карбонаты, оксиды углерода и некоторые другие соединения углерода традиционно относят к неорганическим.

Описание основных групп органических соединений

Углеводороды

Органические соединения, состоящие исключительно из атомов углерода и водорода. Углеводороды считаются базовыми соединениями органической химии, другие органические соединения часто рассматривают как их производные. Простейший углеводород — метан (CH4). При систематизации углеводородов принимают во внимание строение углеродного скелета и тип связей, соединяющих атомы углерода. В зависимости от топологии строения углеродного скелета углеводороды подразделяют на ациклические и карбоциклические. В зависимости от кратности углерод-углеродных связей ациклические углеводороды подразделяют на предельные (алканы) и непредельные (алкены, алкины, диены). Циклические углеводороды разделяют на алициклические и ароматические.

Спирты

Органические соединения, содержащие одну или более гидроксильных групп (гидроксил, −OH), непосредственно связанных с насыщенным (находящимся в состоянии sp³-гибридизации) атомом углерода. Спирты можно рассматривать как производные воды (H−O−H), в которых один атом водорода замещён на органическую группу: R−O−H. В номенклатуре ИЮПАК в зависимости от того, с каким атомом углерода связана гидроксильная группа, выделяют также «енолы» (гидроксил связан с винильной C=C-связью) и «фенолы» (гидроксил связан с бензольным или другим ароматическим циклом). Спирты представляют собой обширный и разнообразный класс соединений, широко распространённых в природе. Они используются как целевые продукты и промежуточные вещества органического синтеза, а также как растворители и промышленные продукты.

Эфиры

Простые эфиры — органические вещества, имеющие формулу R-O-R1, где R и R1 — углеводородные радикалы. Следует однако учитывать, что такая группа может входить в состав других функциональных групп соединений, не являющихся простыми эфирами.

Сложные эфиры — производные оксокислот (как карбоновых, так и минеральных) RE(=O)(OH), (l ≠ 0), формально являющиеся продуктами замещения атомов водорода гидроксилов —OH кислотной функции на органический остаток (алифатический, алкенильный, ароматический или гетероароматический); рассматриваются также как ацилпроизводные спиртов. В номенклатуре IUPAC к сложным эфирам относят также ацилпроизводные халькогенидных аналогов спиртов (тиолов, селенолов и теллуролов). Отличаются от простых эфиров, в которых два углеводородных радикала соединены атомом кислорода (R—O—R).

Альдегиды

Класс органических соединений, в которых атом углерода карбонильной группы (C=O) связан с атомом водорода и углеродным заместителем. Исключение — формальдегид, у которого карбонильный атом углерода связан с двумя атомами водорода. У кетонов карбонильный атом углерода связан с двумя атомами углерода. Поляризацию двойной связи «углерод—кислород» можно описать с помощью следующих резонансных структур: . Частичный положительный заряд на карбонильном атоме углерода определяет его электрофильные свойства. Во многих реакциях свойства альдегидов аналогичны свойствам кетонов, однако в реакциях нуклеофильного присоединения альдегиды обычно более активны вследствие электронных и пространственных факторов. И альдегиды, и кетоны способны к гидратации в водном растворе с образованием геминальных диолов. Эта реакция обратима; у метаналя равновесие сильно смещено в сторону гидрата: . Некоторые альдегиды имеют характерный запах (например, бензальдегид — запах миндаля). Под действием гидроксиламина превращаются в оксимы: .

Кетоны

Органические вещества, в молекулах которых атом углерода карбонильной группы связан с двумя другими атомами углерода. Общая формула кетонов: R1-CO-R2. Среди других карбонильных соединений наличие в кетонах именно двух атомов углерода, непосредственно связанных с карбонильной группой, отличает их от карбоновых кислот и их производных, а также альдегидов.

Карбоновые кислоты

Класс органических соединений, молекулы которых содержат одну или несколько функциональных карбоксильных групп -COOH. Кислые свойства объясняются тем, что данная группа может сравнительно легко отщеплять протон. За редкими исключениями карбоновые кислоты являются слабыми. Например, у уксусной кислоты CH3COOH константа кислотности в водном растворе при 25 °C равна 1,75. Ди- и трикарбоновые кислоты диссоциируют ступенчато; каждой ступени соответствует своя константа кислотности.

Амиды

Производные оксокислот (как карбоновых, так и минеральных) RkE(=O)l(OH)m, (l ≠ 0), формально являющиеся продуктами замещения гидроксильных групп -OH кислотной функции на аминогруппу (незамещённую и замещённую); рассматриваются также как ацилпроизводные аминов. В терминологии IUPAC соединения с одним, двумя или тремя ацильными заместителями у атома азота называются первичными, вторичными и третичными амидами; вторичные амиды именуются также имидами. Амиды карбоновых кислот — карбоксамиды RCO-NR1R2 (где R1 и R2 — водород, ацил либо алкильный, арильный или другой углеводородный радикал) обычно именуются амидами, для амидов других кислот используют соответствующие названия, например, амиды сульфокислот RS(=O)2NH2 именуются сульфонамидами. Аналоги амидов, формально являющиеся продуктами замещения кислорода группы E=O на другой халькоген, называются тиоамидами, селеноамидами и теллуроамидами.

Амины

Органические соединения, являющиеся производными аммиака, в молекуле которого один, два или три атома водорода замещены на углеводородные радикалы. По числу замещённых атомов водорода различают соответственно первичные (замещён один атом водорода), вторичные (замещены два атома водорода из трёх) и третичные (замещены три атома водорода из трёх) амины. Четвертичное аммониевое соединение вида [R4N]+Cl− является органической аммониевой солью, а не амином. По характеру органической группы, связанной с азотом, различают алифатические -<, ароматические -< и жирно-ароматические (содержат ароматический и алифатический радикалы) амины. По числу аминных групп в молекуле амины делят на моноамины, диамины, триамины и так далее.

Регистрационный номер CAS Химическим веществам, включённым в базу CAS REGISTRY Химической реферативной службы, присваивается уникальный номер CAS. Он может использоваться для поиска сведений о веществе в химических базах данных. Наличие публикации о соединении само по себе не означает, что ему уже присвоен номер CAS. В CAS REGISTRY регистрируются не только химические соединения, но и другие вещества, в том числе простые вещества, сплавы и некоторые смеси.

Литература