Химия соединения: Запрещенные химические соединения — все самое интересное на ПостНауке

Содержание

Как легко определять свойства элементов и их соединений — Российская газета

Не так уж часто удается написать заметку о том, что не просто войдет в школьные учебники будущего, а станет одной из базовых картинок-иллюстраций. Химики из Сколковского института науки и технологий Артем Оганов и Захед Алахъяри придумали и рассчитали, как расположить химические элементы в порядке постепенного изменения их химических свойств. Такая последовательность удобнее, чем таблица Менделеева, для предсказания твердости, стабильности, намагниченности и других свойств элементов и их соединений. О том, как было сделано и что значит это отрытые, «Коту» рассказал профессор Сколтеха Артем Оганов.

Артем Оганов — кристаллограф-теоретик, создатель ряда новых материалов, а главное, методов, которые позволяют открывать новые материалы. Решил считавшуюся нерешаемой задачу предсказания кристаллической структуры вещества на основе его химического состава. Создал программу USPEX, способную предсказывать устойчивые химические соединения по набору исходных элементов. Один из самых цитируемых в мире ученых.

Я хорошо помню, как мне пришло в голову решение этой задачи. Мы с семьей садились в самолет. У меня четверо детей, и все они расположились у меня на голове и прочих частях тела и к тому же продолжали непрерывно двигаться. Опытные родители знают, что сопротивляться этому бессмысленно, а беспокоиться неразумно. Поэтому мой мозг перестал метаться, анализируя внешние сигналы, и застыл, сфокусировавшись в одной точке. Точка эта оказалась на спинке впередистоящего кресла. Там-то и начал проступать основной график будущей работы. Я вдруг увидел, что элементы таблицы Менделеева не размазаны равномерно в пространстве своих свойств, а, как звезды в Галактике, расположены более-менее на плоскости.

Эта проблема волновала меня последние 15 лет. В 1984 году британский физик Дэвид Петтифор опубликовал работу, в которой ввел понятие менделеевских чисел, — с их помощью он сгруппировал элементы в порядке изменения их химических свойств. В таблице Менделеева свойства элементов меняются скачками. Так, после самого химически активного неметалла фтора идет инертный неон, а сразу за ним — активнейший металл натрий. Можно ли найти вариант, при котором рядом бы стояли похожие по свойствам элементы?

Петтифор предложил решение — выстроил элементы в некоторой последовательности, приписав им некие числа Менделеева. Но как приписал, не объяснил. И тем более не объяснил, какой у них физический смысл. Эти числа не расчет, а произвол, хотя и основанный на наблюдениях за свойствами бинарных соединений — веществ, состоящих из двух разных атомов. Скажем, если NaCl и KCl похожи, то и натрий с калием должны стоять рядом. Все это время ученые модифицировали и улучшали менделеевские числа, но что это такое, так никто и не объяснил.

У химических элементов есть разные характеристики, которые влияют на их свойства. Прежде всего размер атома (его радиус), валентность, поляризуемость*, электроотрицательность**. Но валентность — параметр непостоянный, у разных элементов могут быть разные валентности, а мы неоднократно открывали химические соединения, которые с точки зрения привычных представлений о валентности не могли бы существовать. Но существуют. Поляризуемость очень сильно коррелирует с электроотрицательностью.

*Поляризуемость — способность атома или молекулы становиться электрически полярными во внешнем электромагнитном поле. Поляризуемость показывает, насколько легко может возникнуть заряженная частица (ион) или новая химическая связь.

**Электроотрицательность — способность атома оттягивать электроны других атомов в химических соединениях. Самая высокая степень электроотрицательности у галогенов и сильных окислителей (F, O, N, Cl), низкая — у активных металлов (Li, Na, K).

Получается, что для определения фундаментальных свойств атомов можно использовать только атомный радиус и электроотрицательность. И если по оси Х — радиус, а по оси Y — электроотрицательность, мы получаем плоскость, на которой сильно вытянутым облаком располагаются элементы. Внутри этого облака, воспользовавшись несложным математическим приемом, можно провести линию, вдоль которой элементы встанут в порядке максимально плавного изменения свойств.

Так мы открыли физический и химический смысл менделеевских чисел: это наилучшее представление всех химических свойств атома одним числом. Но мы предложили не только объяснение, но и улучшенную версию чисел Менделеева, в которой нет места субъективности — только расчеты на основе фундаментальных характеристик атомов. Мы назвали это «Универсальной последовательностью элементов», по-английски Universal Sequence Of Elements, сокращенно USE. И действительно, наша последовательность удобна в применении: она предсказывает свойства химических соединений лучше, чем петтифоровские менделеевские числа и их позднейшие модификации.

Если расположить элементы на осях, то на плоскости будут бинарные соединения — молекулы и кристаллы, состоящие из двух типов атомов. Мы обнаружили, что на этом поле — его можно назвать химическим пространством — возникают области соединений с близкими свойствами, например твердостью кристаллов, магнетизмом, энергией связи. Известно, например, что алмаз, состоящий только из углерода, — самый твердый из кристаллов. А как искать другие твердые вещества? По соседству с алмазом в его химическом пространстве.

Улучшенные менделеевские числа помогут находить новые соединения с полезными свойствами и смогут прояснить некоторые вопросы, связанные с привычной таблицей Менделеева. Например, уже сейчас можно ставить точку в споре, где должен находиться водород: над литием или над фтором. Согласно менделеевским числам, водород ближе к галогенам, чем к щелочным металлам.

Ссылка: Zahed Allahyari and Artem R. Oganov, Nonempirical Definition of the Mendeleev Numbers: Organizing the Chemical Space: J. Phys. Chem. C 2020, 124, 43, 23867-23878.

Универсальная последовательность элементов (USE)

Журнал «Кот Шрёдингера»

Как вычисляются числа Менделеева

Универсальная последовательность элементов определяется их проекцией на линию, обозначенную синим цветом. Журнал «Кот Шрёдингера»

Российскими учеными открыты новые соединения редкоземельных элементов

Современная химия дает возможность получения огромного количества новых соединений, и поистине бесконечные комбинации строительных кирпичиков, из которых их можно «собирать», делают это интересной и увлекательной задачей. Редкоземельные элементы придают веществам уникальные свойства – прежде всего люминесцентные и магнитные, не меньший интерес вызывает и их биологическая активность. Химию редкоземельных элементов изучают уже многие десятки лет, поэтому обнаружение ранее неизвестных соединений кажется невыполнимой задачей. Но оказалось, что еще многое здесь ждет своих первооткрывателей!

Например, соединения редкоземельных элементов с молочной кислотой, которая относится к так называемым á-гидроксикислотам, были предсказаны более 50 лет назад, однако в виде индивидуальных соединений их синтезировать до сих пор никому не удавалось.

Ученые из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, совместно с коллегами из Петербургского института ядерной физики НИЦ «Курчатовский институт», Национального исследовательского университета «Высшей школы экономики», Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева и Лаборатории нейтронной физики им. И.М. Франка Объединенного института ядерных исследований осуществил синтез нового кристаллического лактата иттрия, а также аморфного лактата иттрия, имеющего чрезвычайно необычную структуру.

Коллектив авторов, куда вошла студентка 2 курса образовательной программы «Химия» НИУ ВШЭ Сильвестрова Анна, впервые синтезировал и описал новые соединения, являющиеся первыми представителями солей редкоземельных элементов и молочной кислоты. 

Сильвестрова Анна

Студентка 2 курса ОП Химия

Работа в лаборатории в целом является очень непростым, но захватывающим процессом. Никогда не знаешь, что получится, а что нет. Бывает так, что полностью изученная реакция идёт совсем не по плану, а та, на которую вообще не было надежды, вдруг оказывается очень перспективной. В процессе выполнения работы под руководством Япрынцева Алексея Дмитриевича из Института общей и неорганической химии имени Н.С.Курнакова РАН, я получила много новых навыков и знаний, что, на мой взгляд, является одним из наиболее значимых результатов работы. Стоит отметить, что я планирую продолжить научную карьеру в будущем, поскольку это тот вид деятельности, который полон азарта и логики, а такое довольно редко встречается в современном мире

«Многие соединения редкоземельных элементов проявляют биологическую активность, и их можно использовать для диагностики и терапии различных заболеваний. Для понимания механизма такой активности нужно знать, как ионы редкоземельных элементов взаимодействуют с органическими веществами, участвующими в метаболизме. Одним из таких важных веществ является молочная кислота, которая формируется в организме человека при распаде глюкозы и является маркером различных нарушений, вызванных гипоксией. Исследования химического взаимодействия редкоземельных элементов с молочной кислотой были начаты много лет назад, но, как ни странно, кристаллических лактатов никто до нас получить не смог. Кстати, о солях редкоземельных элементов с другими á-гидроксикислотами известно еще меньше. Мы предложили стратегию синтеза и смогли выделить кристаллы первой соли редкоземельного элемента и молочной кислоты – лактата иттрия, – комментирует научный сотрудник Лаборатории синтеза функциональных материалов и переработки минерального сырья ИОНХ РАН, Алексей Япрынцев. Результаты работы опубликованы в престижном журнале RSC Advances. 

Интересно, что если немного изменить предложенные нами условия синтеза (уменьшить количество молочной кислоты), то можно получить похожее по составу вещество, которое образует не кристаллы, а гель, состоящий из тончайших (около 30 нм) волокон. Соединения РЗЭ крайне редко образуют гели, а волокнистые гели вообще практически не изучены. Если аккуратно высушить такой гель, образуется прочный гибкий материал, напоминающий обычную бумагу.

Мы считаем, что полученные нами соединения открывают возможности для создания новых люминесцентных тест-систем для обнаружения органических соединений в воздухе. Новые знания о соединениях редкоземельных элементов с органическими соединениями, участвующими в метаболизме, важны для создания систем контроля состояния организма человека».

Работа поддержана Министерством науки и высшего образования Российской Федерации (№ 075-15-2020-782).

На фото: «Бумага» из лактата иттрия – основа для создания новых тест-систем

Источник: A.D. Yapryntsev, A.E. Baranchikov, A.V. Churakov, G.P. Kopitsa, A.A. Silvestrova, M.V. Golikova, O.S. Ivanova, Yu.E. Gorshkova, V.K. Ivanov. First amorphous and crystalline yttrium lactate: synthesis and structural features // RSC Adv. 2021. V.11. P. 30195-30205. 
DOI: 10.1039/D1RA05923H

Получайте сведения о химии и химических элементах в Excel

С помощью связанных типов данных вы можете легко добавлять химические данные и факты непосредственно в Excel. Для этого сначала преобразуйте текст в тип данных

Химия, а затем извлеките нужные факты в книгу. В этой статье представлены инструкции, как это сделать.

Преобразование в тип данных «Химия» и его использование

  1. В ячейке введите название химического элемента, химического соединения, изотопа, минерала или химическую формулу. Например, можно ввести «Водород», «Вода» или «h3O». Если вы вводите несколько элементов, располагайте каждый из них в отдельной ячейке столбца.

  2. Выделите эти ячейки и выберите Вставка > Таблица, чтобы создать таблицу. При желании добавьте заголовок столбца.

    Примечание: Хотя создавать таблицу необязательно, мы рекомендуем помещать текст в таблицу для оптимальной работы.

  3. Выбрав таблицу, нажмите Данные, разверните раскрывающуюся коллекцию Типы данных и щелкните Химия.

  4. Excel преобразует текст в тип данных «Химия», соответствующий нашим онлайн-источникам. Вы узнаете, что преобразование выполнено, если в ячейках появится значок типа данных «Химия».

  5. Чтобы добавить данные в таблицу, выделите одну или несколько преобразованных ячеек. После этого появится кнопка

    Добавить столбец . Нажмите эту кнопку и выберите любое из полей, чтобы добавить эти факты в таблицу.

  6. После добавления нужных данных в книгу вы можете использовать любимые функции Excel, например формулы, чтобы ссылаться на данные и работать с ними. Дополнительные сведения см. в статье Создание формул, которые ссылаются на типы данных.

Используйте средство выбора данных для уточнения типов данных «Химия».

Ниже приведены советы, которые помогут вам определить правильное соответствие для вашего текста. Если вам нужна помощь по использованию средства выбора данных, см. статью Указание типов данных с помощью мастера выбора данных.

  • При вводе химических формул для преобразования в тип данных «Химия» учитывается регистр. Если не возвращаются нужные вам результаты, проверьте регистр. Например, «Co» представляет «кобальт», а «CO» представляет монооксид углерода.  .

  • В случае элементов из периодической таблицы может потребоваться выбрать между типом данных, который представляет химическое соединение,и типом данных, который представляет химический элемент:

    • Химические соединения представлены с помощью значка и содержат такие сведения, как структура, фазовая диаграмма, идентификаторы и т. д.

    • Химические элементы представлены с помощью значка и содержат такие сведения, как атомный размер, свойства из периодической таблицы, изотопы и т. д.

См. также

Связанные типы данных: вопросы, ответы и рекомендации

Какие типы связанных данных доступны в Excel?

Создание формул, которые ссылаются на типы данных

Функция ЗНАЧПОЛЯ

Ошибка #ПОЛЕ!

Страница не найдена — Портал Продуктов Группы РСС

Сообщите нам свой адрес электронной почты, чтобы подписаться на рассылку новостного бюллетеня. Предоставление адреса электронной почты является добровольным, но, если Вы этого не сделаете, мы не сможем отправить Вам информационный бюллетень. Администратором Ваших персональных данных является Акционерное Общество PCC Rokita, находящееся в Бжег-Дольном (ул. Сенкевича 4, 56-120 Бжег-Дольный, Польша ). Вы можете связаться с нашим инспектором по защите личных данных по электронной почте: .

Мы обрабатываем Ваши данные для того, чтобы отправить Вам информационный бюллетень — основанием для обработки является реализация нашей законодательно обоснованной заинтересованности или законодательно обоснованная заинтересованность третьей стороны – непосредственный маркетинг наших продуктов / продуктов группы PCC .

Как правило, Ваши данные мы будем обрабатывать до окончания нашего с Вами общения или же до момента, пока Вы не выразите свои возражения, либо если правовые нормы будут обязывать нас продолжать обработку этих данных, либо мы будем сохранять их дольше в случае потенциальных претензий, до истечения срока их хранения, регулируемого законом, в частности Гражданским кодексом.

В любое время Вы имеете право:

  • выразить возражение против обработки Ваших данных;
  • иметь доступ к Вашим данным и востребовать их копии;
  • запросить исправление, ограничение обработки или удаление Ваших данных;
  • передать Ваши персональные данные, например другому администратору, за исключением тех случаев, если их обработка регулируется законом и находится в интересах администратора;
  • подать жалобу Президенту Управления по защите личных данных.

Получателями Ваших данных могут быть компании, которые поддерживают нас в общении с Вами и помогают нам в ведении веб-сайта, внешние консалтинговые компании (такие как юридические, маркетинговые и бухгалтерские) или внешние специалисты в области IT, включая компанию Группы PCC .

Больше о том, как мы обрабатываем Ваши данные Вы можете узнать из нашего Полиса конфиденциальности.

Космическая химия

Современным астрономам известно около трех с половиной тысяч экзопланет, которые находятся от нас на расстоянии от четырех до двадцати восьми тысяч световых лет. Некоторые из них очень похожи на Землю. Попасть на какую-нибудь из них в обозримом будущем будет сложно — разве что человечество совершит огромный технологический скачок. Тем не менее, экзопланеты уже сегодня представляют собой огромный интерес с точки зрения астрохимии. Об этом — наш новый материал, написанный в партнерстве с Уральским федеральным университетом.

Основную часть вещества Вселенной (если говорить о барионном веществе) составляет водород — около 75 процентов. На втором месте идет гелий (около 23 процентов). Однако в космосе можно найти самые разнообразные химические элементы и даже сложные молекулярные соединения, включая органические. Изучением процессов образования и взаимодействия химических соединений в космосе занимается астрохимия. Представителям этой специальности очень интересно исследовать экзопланеты, потому что на них могут реализоваться самые разные сценарии, которые приведут к появлению необычных соединений.

Радуга на службе у астрономов

Основным инструментом получения информации о химическом составе отдаленных объектов является спектроскопия. Она использует тот факт, что атомы химических элементов (или молекулы соединений) могут излучать или поглощать свет только на определенных частотах, отвечающих переходам системы между различными уровнями энергии. В результате формируется спектр излучения (или поглощения), по которому можно однозначно определить вещество. Это как отпечатки пальцев, только для атомов.

Наглядным примером разложения света в спектр является радуга. Нам переходы от одного цвета к другому кажутся плавными и непрерывными, а на самом деле некоторых цветов в радуге нет, потому что определенные длины волн поглощаются содержащимися в Солнце водородом и гелием. Кстати, гелий впервые открыли именно по наблюдению за спектром Солнца (поэтому он и называется «гелий», от др.-греч. ἥλιος — «солнце»), а в лаборатории его выделили только через 27 лет. Это был первый успешный пример использования спектроскопии для изучения звезд.

Фраунгоферовы линии поглощения на фоне непрерывного спектра фотосферы Солнца.

Wikimedia commons

В простейшем случае атома водорода спектр излучения представляет собой серию линий, отвечающих переходам между уровнями с различными значениями главного квантового числа n (эта картина хорошо описывается формулой Ридберга). Самой известной и удобной для наблюдений является линия Бальмера Hα, имеющая длину волны 656 нанометров и лежащая в области видимого спектра. Например, на этой линии астрономы наблюдают за далекими галактиками и распознают облака молекулярного газа, которые в большинстве своем как раз состоят из водорода. Следующие серии линий (Пашена, Брэкета, Пфунда и так далее) целиком лежат в инфракрасном диапазоне, а серия Лаймана расположена в области ультрафиолетового излучения. Это несколько усложняет наблюдения.

В то же время у молекул сложных соединений есть другой способ излучать кванты света, в каком-то смысле даже более простой. Связан он с тем, что вращательная энергия молекулы квантуется, что также позволяет им излучать в линиях (кроме того, они могут излучать и  непрерывный спектр). Энергия таких квантов света не очень большая, поэтому их частота лежит уже в радиодиапазоне. Один из самых простых вращательных спектров принадлежит молекуле угарного газа CO, по ней астрономы тоже часто распознают облака холодного газа, когда не могут разглядеть в них водород. Методы радиоастрономии позволили найти в молекулярных облаках также метанол, этанол, формальдегид, синильную и муравьиную кислоту, а также другие элементы. Например, именно с помощью радиотелескопа ученые обнаружили алкоголь в хвосте кометы Лавджоя.

Что можно найти в космосе

Проще всего методы спектроскопии применять для изучения химического состава звезд. В этом случае астрономы исследуют спектры поглощения, а не излучения элементов. В самом деле, свет от них легко наблюдать, особенно в видимом диапазоне. Правда, химический состав звезд сам по себе обычно не очень интересен: по большей части они состоят из водорода и гелия с небольшой примесью тяжелых элементов.

Более тяжелые элементы образуются во вспышках сверхновых, и их тоже можно наблюдать. Например, некоторые ученые утверждают, что после недавно зарегистрированного слияния двух нейтронных звезд должны были образоваться огромные количества золота, платины и других элементов из последних строк таблицы Менделеева. Но так или иначе, очень сложные или органические соединения в звездах существовать не могут, поскольку они обязательно распадаются из-за больших температур.

Другое дело — облака холодного межзвездного газа. Они очень сильно разрежены и излучают гораздо слабее, чем звезды, зато сами по себе гораздо больше. И состав у них более интересный. В них можно найти огромное число самых разных молекул — начиная от простых двухатомных и заканчивая относительно сложными многоатомными органическими соединениями. Среди сложных молекул особенно стоит выделить «пребиотические» соединения, например, аминоацетонитрил, который может участвовать в образовании глицина, простейшей аминокислоты. Некоторые ученые предполагают, что в молекулярных облаках может образоваться и рибоза, один из основных кирпичиков органической жизни. Если такие соединения попадут в благоприятные условия, это уже будет ступенькой для возникновения жизни.

Изображение туманности Ориона M42, полученное Коуровской астрономической обсерваторией УрФУ. Красный цвет — это результат рекомбинации в линии излучения Hα на длине волны 656,3 нанометра.

УрФУ


Чуть ближе к планетам

К сожалению, для определения химического состава экзопланет метод спектроскопии применить сложно. Все-таки для этого нужно зарегистрировать свет от них, а звезда, вокруг которой вращается планета, мешает это сделать, поскольку она светит намного ярче. Пытаться наблюдать за такой системой — все равно что смотреть на свет спички на фоне прожектора.

Тем не менее, некоторую информацию об экзопланете можно получить, не измеряя спектр ее излучения напрямую. Хитрость заключается в следующем. Если у планеты есть атмосфера, она должна поглощать часть излучения звезды, причем в разных спектральных диапазонах по-разному. Грубо говоря, на одной длине волны планета будет казаться чуть меньше, а на другой длине — чуть больше. Это позволяет строить предположения о свойствах атмосферы, в частности, о ее химическом составе. Такой способ наблюдений особенно хорошо работает на горячих, близко расположенных к звездам планетах, потому что их радиус проще измерять.

Кроме того, химический состав планеты должен быть связан с составом газопылевого облака, из которого она образовалась. Например, в облаках с большим отношением концентраций атомов углерода к атомам кислорода образующиеся планеты будут состоять преимущественно из карбонатов. С другой стороны, химический состав звезды, образовавшейся из такого облака, также должен отражать его состав. Это позволяет строить некоторые предположения, основываясь на изучении спектра одной только звезды. Так, астрономы из Йельского университета проанализировали данные о химическом составе 850 звезд и обнаружили, что в 60 процентах систем концентрации магния и кремния в звезде указывают на то, что рядом с ней могут находиться каменистые планеты, похожие на Землю. В оставшихся 40 процентах химический состав звезд говорит нам о том, что состав планет вокруг них должен существенно отличаться от земного.

Вообще говоря, в последнее время прямая спектроскопия особенно горячих планет на фоне тусклых звезд все-таки стала возможна благодаря возросшей точности измерительных приборов. В этом случае уже можно искать в их свете следы различных химических элементов и сложных соединений. Например, с помощью ИК-спектрографа CONICA, установленного на телескопе VLT и объединенного с системой адаптивной оптики NAOS, ученым удалось измерить спектр экзопланеты HR 8799 c, которая вращается вокруг белого карлика и разогрета так сильно, что сама излучает свет. В частности, из анализа ее спектра следовало, что в атмосфере планеты содержится меньше, чем ожидалось, метана и угарного газа. Также совсем недавно астрономы измерили спектр другого «горячего юпитера», обнаружив в его атмосфере оксид титана. Тем не менее, непосредственные измерения спектра менее горячих каменистых планет (на которых существование жизни более вероятно) до сих пор представляет большую сложность.

Изображение системы HR 8799. Планета HR 8799 c находится в правом верхнем углу

Jason Wang et al / NASA NExSS, W. M. Keck Observatory

Состав планеты можно также определить косвенно, рассчитав ее плотность. Для этого нужно знать радиус и массу планеты. Массу можно найти, наблюдая за гравитационным взаимодействием планеты со звездой или другими планетами, а радиус оценить по изменению блеска звезды при прохождении планеты по ее диску. Очевидно, газовые планеты должны иметь меньшую плотность по сравнению с каменистыми. Например, средняя плотность Земли равна примерно 5,5 грамма на кубический сантиметр, и для поиска обитаемых планет астрономы ориентируются именно на это значение. В то же время плотность «самого рыхлого горячего юпитера» составляет 0,1 грамма на кубический сантиметр.


«Невозможные» соединения


С другой стороны, экзопланеты можно изучать и вовсе не выходя из лаборатории, как бы странно это ни звучало. Речь идет о моделировании (в основном численном) химических и физических процессов, которые должны на них происходить. Из-за того что условия на экзопланетах могут быть самые экзотические (простите за каламбур), вещества на них могут образоваться тоже самые необычные, «невозможные» в привычных для нас условиях.

Большинство открытых экзопланет относится к «горячим юпитерам» — сильно разогретым из-за небольшого расстояния до звезды газовым гигантам. Конечно, это не обязательно означает, что такие планеты преобладают в звездных системах, просто их легко найти. Температура атмосферы таких гигантов может превышать тысячу градусов по Цельсию, и состоит она в основном из паров силикатов и железа (при такой температуре оно начинает испаряться, но еще не кипит). В то же время, давление внутри этих планет должно достигать огромных значений, при которых водород и другие привычные для нас газы переходят в твердые агрегатные состояния. Эксперименты по моделированию подобных экстремальных условий проводятся давно, однако впервые металлический водород удалось получить только в январе этого года.

С другой стороны, в недрах каменистых планет также могут достигаться большие давления и температуры, а «зоопарк» химических элементов там может быть даже больше. Например, по некоторым оценкам, давление внутри каменистых планет с массами в несколько земных масс может достигать значений до 30 миллионов атмосфер (внутри Земли давление не превышает четырех миллионов атмосфер). С помощью компьютерного моделирования удалось выяснить, что в таких условиях начинают образовываться экзотические соединения магния, кремния и кислорода (которых в составе каменистых планет должно быть много). Например, при давлениях более 20 миллионов атмосфер стабильными становится не только привычный для нас оксид кремния SiO2, но и «невозможные» SiO и SiO3. Также интересно, что в недрах особенно массивных планет (до 20 масс Земли) может образоваться MgSi3O12 — оксид, обладающий свойствами электрического проводника.

Нестандартные условия можно моделировать не только на компьютере, но и в лаборатории, пусть и не для такого большого диапазона давлений и температур. С помощью алмазной наковальни можно получить давления до 10 миллионов атмосфер, как раз соответствующие условиям в недрах планет, а разогреть образец до высоких температур можно лазером. Эксперименты по моделированию таких условий действительно активно проводятся в последнее время. Например, в 2015 году группа ученых, в состав которой входили российские исследователи, экспериментально наблюдали образование пероксида магния MgO2 уже при давлениях около 1,6 тысяч атмосфер и температурах больше двух тысяч градусов Цельсия. Подробно об исследованиях поведения вещества при больших давлениях вы можете прочитать в другом нашем материале.

Рентгеновская спектроскопия образца, состоящего из атомов магния и кислорода, при давлении около десяти тысяч атмосфер и температуре около двух тысяч Кельвин. Пунктиром выделена область с повышенным содержанием кислорода.

S. Lobanov et al / Scientific Reports


***

В УрФУ есть группа ученых, которые занимаются изучением протопланетного вещества в дальнем космосе и Солнечной системе. Мы попросили ведущего специалиста Коуровской астрономической обсерватории УрФУ Вадима Крушинского более подробно рассказать об изучении экзопланет.

N +1: Зачем мы изучаем экзопланеты?

Вадим Крушинский: Еще 25 лет назад нам было известно о существовании единственной планетной системы — Солнечной. Теперь же мы уверены в том, что планеты есть у огромного числа звезд, возможно, почти у каждой звезды во Вселенной. Прогресс технологий получения и обработки данных привел к тому, что найти свою экзопланету может даже продвинутый любитель астрономии. Открытие очередного «горячего юпитера» — это открытие целой планетной системы, просто мы видим только самую заметную ее часть. Планеты меньшего размера или находящиеся дальше от родительской звезды открываются гораздо реже, это эффект наблюдательной селекции.

Вадим Крушинский в составе группы ученых Уральского федерального университета работает над проектом по исследованию протопланетного вещества в дальнем космосе, Солнечной системе и на Земле.

Это один из шести прорывных научных проектов университета, им занимается стратегическая академическая единица (САЕ) — Институт естественных наук и математики УрФУ — вместе с академическими и индустриальными партнерами из России и других стран. От успеха исследователей зависят позиции университета в российских и международных рейтингах, прежде всего в предметных.

Единичный эксперимент не позволяет делать выводы о наблюдаемом явлении. Эксперимент должен быть повторен многократно и независимо. Каждая открытая экзопланетная система — это отдельный независимый эксперимент. И чем больше их известно, тем надежнее прослеживаются общие законы происхождения и эволюции планетных систем. Нам необходимо набирать статистику!

Что же можно узнать об экзопланетах, наблюдая за ними с таких больших расстояний?

Прежде всего нужно определить свойства родительской звезды. Это позволяет вычислить размеры планет, их массу и радиусы орбит. Зная светимость родительской звезды и радиус орбиты, можно оценить температуру поверхности экзопланеты. Кроме того, атмосферы планет имеют разную прозрачность в разных спектральных диапазонах (об этом писал еще Ломоносов). Для наблюдателя это выглядит как разный диаметр планеты при наблюдении в разных фильтрах. Это позволяет обнаружить атмосферу и оценить ее толщину и плотность. Свет родительской звезды, прошедший через атмосферу планеты во время транзита, несет информацию о составе ее атмосферы. А во время вторичного затмения, когда планета прячется за свою звезду, мы можем наблюдать изменения спектра, связанные с отражением от атмосферы и поверхности планеты. Так же, как и у Луны, у экзопланет можно наблюдать фазы. Если изменения блеска системы, вызванные этим эффектом, не постоянны, то это говорит о том, что альбедо планеты (способность отражать свет) меняется. Например, вследствие движения облаков в ее атмосфере.

Свойства экзопланет должны быть связаны со свойствами родительских облаков. Изучая материю на стадии звездообразования, мы вносим вклад в понимание эволюции планетных систем. К сожалению, Земля претерпела значительные изменения в ходе истории, и уже мало напоминает то протопланетное вещество, из которого когда-то родилась. Но совсем рядом с нами летают метеориты и кометы. Некоторые из них даже падают на Землю и попадают в лаборатории. До каких-то из них могут долететь космические аппараты. Прямо перед нами отличный объект исследования! Остается только доказать, что и другие планетные системы эволюционировали так же, как наша.

Можно ли найти жизнь на других планетах?

Для этого нужно обнаружить биомаркеры — проявления жизнедеятельности организмов. Лучшим биомаркером были бы передачи условного «Первого канала», но сойдет и наличие кислорода. Без жизни кислород на Земле был бы связан и исчез из атмосферы за десяток тысяч лет. Обнаружив кислород в атмосферах экзопланет, мы сможем утверждать, что не одиноки во Вселенной. Как его найти, было рассказано выше. Но вот только приборов с достаточной чувствительностью пока нет. Прорыв в этом направлении ожидается после запуска космического телескопа им. Джеймса Вебба (JWST).

Что могут сделать в этой области ученые из России и, в частности, из УрФУ?

Несмотря на то, что в плане изучения экзопланет Россия отстает от остального научного сообщества, у нас есть возможность сократить это отставание. Относительно малобюджетные программы по поиску экзопланетных систем (пилотный проект KPS Коуровской обсерватории УрФУ) позволят сделать первый шаг и помогут в наборе данных для статистического анализа. Высокоточные фотометрические измерения можно проводить и на имеющемся оборудовании, это позволяет искать атмосферы у некоторых экзопланет. Спектральные наблюдения во время транзитов и вторичных затмений относительно доступны для крупнейших телескопов России. Что нужно сделать для старта этих программ — найти заинтересованных людей и оплатить их работу. Немного вложиться в оборудование.

Второе направление — моделирование и интерпретация наблюдаемых эффектов. Это может быть как теоретическая работа, так и экспериментальная — исследование поведения и свойств образцов в условиях космоса и сравнение с наблюдаемыми эффектами. Для этого необходимо создание установки, имитирующей условия космического пространства. В качестве образцов можно использовать метеориты из коллекции УрФУ.

Дмитрий Трунин

Молекула против соединения | Что такое молекула

Итак, что такое молекула ? В этом уроке по химии вы узнаете разницу между молекулой и соединением . Они очень похожи, но есть важные отличия! У каждого соединения есть молекулы, но не каждая молекула является частью соединения.

Роль химических связей 

Атомы химически связываются с другими атомами для достижения «баланса» — термина, обозначающего снижение реакционной способности.Эта стабильность достигается за счет различных электростатических притяжений, которые удерживают эти связи на месте; новая группировка более стабильна и менее реактивна, чем ее первоначальные части.

Для обеспечения стабильности во время химической связи атомы придерживаются «правила октетов». В этом руководстве говорится, что прочные, устойчивые связи образуются, когда атомы достигают восьми электронов на своих внешних (валентных) оболочках. Хотя существуют некоторые исключения, правило в целом объясняет, почему атомы определенных элементов имеют тенденцию связываться друг с другом.Это соединение атомов является одним из фундаментальных понятий в химии и связано с нашим пониманием химических реакций.

В области химической связи с поиском октета существуют два отдельных подразделения: молекулы и соединения. Все соединения можно классифицировать как молекулы, но не все молекулы можно назвать соединениями. Хотя на первый взгляд эта идея может показаться запутанной, на самом деле разница между этими двумя категориями довольно проста.

Молекулы и соединения: что есть что? Что такое молекула

Определение молекулы

Молекула образуется, когда атом связывается с другими атомами; это могут быть атомы того же элемента, что и этот первый атом, или атомы разных элементов.Другое определение молекулы — это электрически нейтральная группа из двух или более атомов, удерживаемых вместе химическими связями. Молекула – это наименьшая частица, на которую можно разделить элемент или соединение без изменения его химических и физических свойств. Узнайте, что такое химический элемент.

Определение соединения

С другой стороны, соединение должно включать атом, связанный с атомами двух или более различных элементов. Таким образом, он всегда содержит элементы более одного типа; его составные части соединяются в фиксированном соотношении.Эта информация верна исходному утверждению, что все соединения являются молекулами, но не все молекулы являются соединениями. Поскольку соединения содержат атомы разных элементов, они представляют собой подмножество категории молекул. Таким образом, молекулы, включающие комбинации атомов только одного типа, являются не соединениями, а элементами.

Примеры молекул и соединений 

Чтобы помочь вам отличить молекулы от соединений, вот несколько полезных примеров обеих категорий.Обратите внимание, что все соединения гипотетически могут быть добавлены в список молекул, но не каждая молекула может быть перемещена в список соединений. Мы надеемся, что теперь вы лучше понимаете, что такое молекула и соединение!

Примеры молекул:

Это примеры молекул. Обратите внимание, что все они состоят из более чем одного атома, но не всегда из более чем одного типа атомов.

  • N 2 (азот)
  • I 2 (йод)
  • H 2 O (вода)
  • O 3 (Ozone)
  • CAO. H 12 O 6 (глюкоза)

  Все соединения являются молекулами, но не все молекулы являются соединениями

Примеры соединений: 9000.Обратите внимание, что все эти соединения содержат более одного элемента.

  • NACL (соль)
  • NAHCO 3 (пищевая сода)
  • H 2 O 2 (Пероксид водорода)
  • C 2 H 6 6 40046464646464646 400464646464646464646464646464646464646. 40046 40046 40044. (метан)
  • C 55 H 72 O 5 N 4 Mg (хлорофилл)

Примеры молекул, не являющихся соединениями, 9000Первые два примера представляют собой двухатомные элементы.

  • Cl 2 (хлор)
  • H 2 (водород)
  • O 3 (озон)

Химические соединения: Почему некоторых не существует | Журнал Chem13 News Magazine

В недавней статье 1 Альберто Мониш провел полезную беседу о причинах, по которым образуются или не образуются ковалентные и ионные соединения. По моему опыту, некоторым учащимся помогает понять концепции, если они видят конкретные числа.По этой причине я счел целесообразным привести примеры, иллюстрирующие, почему одни соединения существуют, а другие нет. Аргументы будут основываться на энергетических соображениях. Хотя именно чистое изменение свободной энергии является окончательным определяющим фактором, связывание существования соединения с экзотермичностью процесса образования из элементов (или, точнее, с изменением энтальпии) в большинстве случаев хорошо работает.

(Не)существование ковалентных соединений

Какие соединения образуются, а какие нет, это само по себе интересное поле.Дасент написал целую книгу о несуществующих соединениях, 2 , а Аппельман описал трудности синтеза перброматов и фтористой кислоты. 3

Классическим случаем было открытие соединений благородных газов. 4  Соединения благородных газов снова в новостях. Атмосфера Земли должна содержать гораздо больше ксенона, чем есть на самом деле. Недавно был синтезирован диоксид ксенона, и предполагается, что «недостающий» ксенон захвачен в виде единиц XeO 2 в единицах SiO 2 кварца и силикатов глубоко внутри континентальной коры. 5  Таким образом, кажется уместным выбрать в качестве примера соединение благородного газа. Здесь я показываю, почему ковалентно связанный тетрафторид ксенона существует, в то время как тетрахлорид ксенона почти наверняка никогда не будет синтезирован.

Возможное образование ковалентного соединения из его элементов можно рассматривать с точки зрения разрыва связей в элементах и ​​связей в образующемся соединении. Процесс, который в целом является значительно экзотермическим, указывает на значительную вероятность того, что соединение может существовать.

Для образования тетрафторида ксенона общее химическое уравнение можно записать как

Xe(г) + 2 F 2 (г) → XeF 4 (с)

Процесс можно рассматривать как протекающий в виде ряда теоретических стадий

  1. Эндотермический разрыв двух молей ковалентных связей фтор-фтор.
  2. Экзотермическое образование четырех молей ксенон-фторовых связей.
  3. Небольшое экзотермическое осаждение твердого тетрафторида ксенона.

Показан энергетический цикл с числовыми значениями (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма теоретической энергии образования тетрафторида ксенона (из ссылки 6)

Таким образом, процесс образования тетрафторида ксенона является значительно экзотермическим, и можно постулировать существование XeF 4  . На самом деле это соединение было впервые синтезировано в 1962 году.

С точки зрения термохимии, тетрафторид ксенона существует потому, что две связи фтор-фтор, которые необходимо разорвать, довольно слабы (F-F = 158 кДж∙моль -1 ), в то время как должны быть образованы четыре связи ксенон-фтор — даже если каждый из них еще слабее (Xe-F = 133 кДж∙моль -1 ).

Так почему же синтез тетрахлорида ксенона крайне маловероятен? Связь хлор-хлор (Cl-Cl = 240 кДж∙моль -1 ) значительно прочнее связи фтор-фтор. В предыдущей статье я показал, что теоретическое значение для связи ксенон-хлор меньше, чем для связи ксенон-фтор (Xe-Cl = 103 кДж∙моль -1 ). 7  Таким образом, аналогичный энергетический цикл для газообразного тетрахлорида ксенона даст чистое изменение энергии +68 кДж∙моль -1 ).Даже если бы образовалось твердое тело, цикл не включал бы значительной степени экзотермичности. Таким образом, можно достаточно уверенно сказать, что смешивание газообразного ксенона и газообразного хлора не приведет к образованию тетрахлорида ксенона.

(Не)существование ионных соединений

Для ионных соединений необходимо использовать путь образования ионов. Мы можем проиллюстрировать концепцию, используя образование хлорида натрия.

[mathjax]Na(т) + Cl2(г) NaCl(т)

Процесс в этом случае можно рассматривать как происходящий в следующие теоретические стадии:

  1. Испарение одного моля атомов натрия.
  2. Расщепление половины моля молекул хлора.
  3. Первая энергия ионизации одного моля атомов натрия.
  4. Электронное сродство одного моля атомов хлора.
  5. Осаждение одного моля ионов натрия и одного моля ионов хлорида для образования кристаллической решетки.

Энергетический цикл с числовыми значениями показан ниже:

Рис. 2. Диаграмма теоретической энергии образования хлорида натрия (из исх.6)

Из этого рисунка видно, что двумя основными факторами энергетического баланса являются энергия ионизации, необходимая для образования катиона, и энергия, выделяющаяся при формировании кристаллической решетки. Мы можем использовать этот факт, чтобы понять, почему, например, магний и фтор образуют MgF 2 , а не MgF и не MgF 3 . Как видно из рис. 3 (следующий столбец), образование MgF теоретически возможно. Однако энергия, необходимая для удаления другого валентного электрона магния, более чем компенсируется более прочной кристаллической решеткой, образованной за счет упаковки ионов Mg 2+ с более высоким зарядом с ионами F  .Таким образом, образование MgF 2 энергетически предпочтительно.

Так почему бы не пойти еще дальше и не ионизировать третий электрон из магния? Ибо энергия решетки была бы еще много выше.

Совершенно верно, что энергия решетки примерно вдвое больше, чем у MgF 2 . Однако третий ионизированный электрон должен исходить из внутренней оболочки и требует огромного количества энергии для процесса ионизации. MgF 3 никогда не может быть сформирован. Это также показано на рис.3.

Ионная или ковалентная связь?

Хотя невозможность образования MgF3 кажется энергетически бесспорной, нужно быть осторожным, говоря «никогда». В конце концов, мы думали, что «знаем», что ртуть может образовывать ионы только с зарядом +1 и +2.

Рис. 3    Сравнение энергий образования MgF, MgF 2 и MgF 3  (из ссылки 6)

Теперь мы знаем, что можно синтезировать HgF 4 , в котором ртуть имеет заданный заряд +4. 8

Hg(ж) + 2 F 2 (г) → HgF 4 (с)

Как оказалось, для этого «пограничного металла» соединение вовсе не ионное, а ковалентное. В самом деле, при энергии связи Hg-F около 180 кДж∙моль −1 , задним числом вполне следует ожидать образования этой молекулы по энергетическим соображениям:

Изменение энергии =

(разрыв 2 моль связей F-F) – (образование 4 моль связей Hg-F)

= (316 кДж) – (720 кДж) = −404 кДж∙моль −1

Ссылки

  1. А.Мониз, «Построение значения из правила октетов», Chem 13 News, октябрь 2011 г., стр. 4.
  2. WE, Dasent, Nonexistent Compounds, Edward Arnold, 1965.
  3. Э.Х. Аппельман, «Несуществующие соединения: две истории болезни», Accounts of Chemical Research, 6, 1973, страницы 113-117.
  4. П. Ласло и Г.Дж. Шробильген, «Один или несколько пионеров? Открытие соединений благородных газов», Angewandte Chemie (International Edition), 1988, 27, стр. 479.
  5. Д.С. Брок и Г.Дж. Шробильген, «Синтез отсутствующего оксида ксенона, XeO2, и его последствия для отсутствующего на Земле ксенона», Журнал Американского химического общества, апрель 2011 г., 133 (16), страницы 6265-9.
  6. Г. Рейнер-Кэнэм и Т. Овертон, Описательная неорганическая химия, 5-е издание, W.H. Фримен, Нью-Йорк, 2010.
  7. .
  8. G. Rayner-Canham, «Благородные газы и их значение для преподавания химии в 21 веке», Chem 13 News, ноябрь 2006 г.,
    , стр. 4.
  9. «Википедия, фторид ртути(IV)»

Технический обзор летучих органических соединений

На этой странице:


Обзор

Органические химические соединения1 находятся повсюду как внутри помещений, так и снаружи, потому что они стали важными ингредиентами многих продуктов и материалов.

  • На открытом воздухе ЛОС улетучиваются или выбрасываются в воздух в основном при производстве или использовании повседневных продуктов и материалов.
  • В помещении летучие органические соединения в основном выбрасываются в воздух при использовании продуктов и материалов, содержащих летучие органические соединения.

ЛОС вызывают озабоченность как загрязнители воздуха внутри помещений, так и загрязнители наружного воздуха. Однако акцент этой заботы на открытом воздухе отличается от внутреннего. Основной проблемой в помещении является то, что летучие органические соединения могут негативно повлиять на здоровье людей, которые подвергаются их воздействию.В то время как летучие органические соединения также могут быть проблемой для здоровья на открытом воздухе, EPA регулирует содержание летучих органических соединений на открытом воздухе в основном из-за их способности создавать фотохимический смог при определенных условиях.

Хотя один и тот же термин «ЛОС» используется как для качества воздуха внутри помещений, так и для наружного воздуха, этот термин определяется по-разному, чтобы отразить его основную проблему в каждом контексте. Это создало непонимание на рынке и в экологическом сообществе. Кроме того, измеренное количество и состав ЛОС в воздухе могут значительно различаться в зависимости от используемых методов измерения, что создает дополнительную путаницу.


Общее определение и классификация

Летучие органические соединения (ЛОС) означают любое соединение углерода, за исключением монооксида углерода, диоксида углерода, угольной кислоты, карбидов или карбонатов металлов и карбоната аммония, которое участвует в атмосферных фотохимических реакциях, за исключением указанных по EPA как имеющий незначительную фотохимическую реактивность 2 .

Летучие органические соединения или ЛОС представляют собой органические химические соединения, состав которых позволяет им испаряться при нормальных атмосферных условиях внутри помещения при температуре и давлении 3 .Это общее определение ЛОС, используемое в научной литературе, согласуется с определением, используемым для качества воздуха в помещении. Поскольку летучесть 4 соединения обычно тем выше, чем ниже его температура кипения, летучесть органических соединений иногда определяют и классифицируют по их температурам кипения.

Например, Европейский Союз использует температуру кипения, а не летучесть в своем определении ЛОС.

ЛОС – любое органическое соединение, начальная температура кипения которого меньше или равна 250°С при стандартном атмосферном давлении 101.3 кПа. 5, 6, 7

ЛОС иногда классифицируют по легкости их выделения. Например, Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) классифицирует органические загрязнители помещений следующим образом:

  • Очень летучие органические соединения (VVOCs)
  • Летучие органические соединения (ЛОС)
  • Полулетучие органические соединения (СВОС)

Чем выше летучесть (ниже точка кипения), тем больше вероятность того, что соединение будет выделяться из продукта или поверхности в воздух.Очень летучие органические соединения настолько летучи, что их трудно измерить, и они почти полностью находятся в виде газов в воздухе, а не в материалах или на поверхностях. Наименее летучие соединения, обнаруженные в воздухе, составляют гораздо меньшую долю от общего количества, присутствующего в помещении, в то время как большая часть будет находиться в твердых или жидких веществах, которые их содержат, или на поверхностях, включая пыль, мебель и строительные материалы.

Классификация неорганических органических загрязнителей (адаптировано из ВОЗ 8 )

Описание Аббревиатура Диапазон температур кипения
(°C)
Пример соединений
Очень летучие (газообразные) органические соединения ВВОК <0 до 50-100 Пропан, бутан, метилхлорид
Летучие органические соединения ЛОС от 50-100 до 240-260 Формальдегид, d-лимонен, толуол, ацетон, этанол (этиловый спирт), 2-пропанол (изопропиловый спирт), гексаналь
Полулетучие органические соединения СВОК 240-260 до 380-400 Пестициды (ДДТ, хлордан, пластификаторы (фталаты), антипирены (ПХБ, ПБД))

Нормативное определение EPA летучих органических соединений, влияющих на фотохимическое окисление в наружном воздухе

Справочная информация

фотохимический смог.Многие ЛОС образуют приземный озон, «реагируя» с источниками молекул кислорода, такими как оксиды азота (NOx) и монооксид углерода (CO) в атмосфере в присутствии солнечного света. Однако только некоторые ЛОС считаются достаточно «реакционноспособными», чтобы вызывать беспокойство. ЛОС, которые являются нереакционноспособными или имеют незначительную реакционную способность с образованием озона в этих условиях, не подпадают под определение ЛОС, используемое EPA в своих правилах. С момента первого составления списка исключенных соединений в 1977 году Агентство по охране окружающей среды добавило несколько к списку и часто подает несколько петиций на рассмотрение дополнительных соединений.Кроме того, в некоторых штатах есть свои определения и списки исключенных соединений. Таким образом, для целей регулирования конкретное определение ЛОС вне помещений может изменяться в зависимости от того, что исключено из этого определения.

Неправильное понимание и путаница в отношении летучих органических соединений

Агентство по охране окружающей среды ранее определяло регулируемые органические соединения в наружном воздухе как «Реактивные органические газы» (ROG). Эта терминология прояснила ее значение как ограниченное реакционноспособными химическими веществами. Однако позже EPA изменило эту терминологию на «VOC».К сожалению, использование термина «VOC», а не ROG, привело к неправильному пониманию применительно к качеству воздуха в помещении. Многие лица и организации, в том числе производители строительных материалов и изделий, а также сторонние сертификационные организации, пришли к выводу, что летучие органические соединения — это «только те вещества, которые регулируются Агентством по охране окружающей среды для наружного воздуха», и применяют то же определение в отношении воздуха внутри помещений.

В той мере, в какой некоторые освобожденные соединения влияют на здоровье людей, подвергающихся воздействию в помещении, определение ЛОС, регламентированное для наружного воздуха, может привести к серьезным неверным представлениям о качестве воздуха в помещении, поэтому такие ЛОС не следует исключать из рассмотрения для воздуха в помещении. .Например, метиленхлорид (растворитель для краски) и перхлорэтилен (жидкость для сухой чистки) не подлежат применению на открытом воздухе, но они могут представлять серьезную опасность для здоровья людей, подвергающихся воздействию, если находятся в помещении. Первый внесен в список Международного агентства по изучению рака (IARC) как потенциальный канцероген для человека, а второй внесен в список вероятных канцерогенов для человека. ЛОС внутри помещений реагируют с озоном внутри помещений 9 даже при концентрациях ниже санитарных норм.В результате химических реакций образуются частицы субмикронного размера и вредные побочные продукты, которые могут быть связаны с неблагоприятными последствиями для здоровья некоторых чувствительных групп населения.


Классификация летучих органических соединений

При обсуждении внутренней среды все органические химические соединения, которые могут улетучиваться при нормальных атмосферных условиях внутри помещения при температуре и давлении, являются летучими органическими соединениями. Хотя демаркационная линия между классификациями очень летучих органических соединений (VVOC), летучих органических соединений (VOC) и полулетучих органических соединений (SVOC) (см. таблицу выше) несколько условна, она показывает широкий диапазон летучести среди органических соединений. Все три классификации важны для воздуха в помещении, и считается, что все они подпадают под широкое определение летучих органических соединений в помещении. Кроме летучести (или точки кипения) никакие другие критерии не используются для определения содержания летучих органических соединений в помещении.

Измерение ЛОС в воздухе помещений

Информация о ЛОС, которые обычно присутствуют в низких концентрациях в воздухе помещений. в любой данной ситуации сильно зависит от того, как они измеряются. Все доступные методы измерения избирательны в отношении того, что они могут точно измерить и количественно определить, и ни один из них не способен измерить все присутствующие ЛОС.Например, бензол и толуол измеряются другим методом, чем формальдегид и другие подобные соединения. Диапазон методов измерения и аналитических инструментов велик и будет определять чувствительность измерений, а также их селективность или погрешности. Вот почему любое заявление о ЛОС, присутствующих в данной среде, должно сопровождаться описанием того, как были измерены ЛОС, чтобы результаты могли быть правильно интерпретированы профессионалом. В отсутствие такого описания утверждение имело бы ограниченное практическое значение.

Маркировка продуктов

Потребителям важно понимать, что информация на этикетках или другая литература о продуктах с широкими заявлениями о воздействии на окружающую среду с использованием таких терминов, как «зеленый» или «экологически чистый», может включать или не включать некоторые из летучие органические соединения, выбрасываемые из продукта, и, следовательно, не могут учитывать их неблагоприятное воздействие на здоровье.

Однако существуют национальные и международные программы, которые сертифицируют и маркируют продукты и материалы на основе их воздействия на качество воздуха в помещении, такого как различные воздействия на здоровье человека и комфорт, включая запах, раздражение, хроническую токсичность или канцерогенность.Такие программы, вероятно, будут включать рассмотрение, по крайней мере, некоторых летучих органических соединений, вызывающих беспокойство в воздухе помещений. Однако нормы и требования, используемые в настоящее время в сфере маркировки и сертификации продукции для помещений, не стандартизированы. Правительство или сторонняя организация еще не установили основные правила для разработки согласованных, безопасных стандартных методов испытаний для оценки и сравнения продуктов и материалов. Из-за отсутствия стандартизации потребителю в большинстве случаев трудно полностью понять, что означают этикетки и сертификаты.

Некоторые этикетки ЛОС или программы сертификации основаны на выбросах ЛОС из продукта во внутреннюю среду и возможных связанных с этим воздействиях на здоровье. Однако некоторые из них основаны на содержании летучих органических соединений, которые регулируются для контроля образования фотохимического смога на открытом воздухе. Поэтому этикетки ЛОС и программы сертификации могут не дать надлежащей оценки всем ЛОС, выделяемым продуктом, включая некоторые химические соединения, которые могут иметь значение для качества воздуха в помещении. Это особенно верно для большинства влажных продуктов, таких как краски или клеи, которые могут быть помечены как «с низким содержанием летучих органических соединений» или «без летучих органических соединений».


Заключение

Снижение концентрации летучих органических соединений внутри и снаружи помещений является важной задачей в области охраны здоровья и окружающей среды. Однако важно понимать, что существуют летучие органические соединения внутри и вне помещений, которые не влияют на фотохимическое окисление и поэтому не регулируются EPA (42 U.S.C. §7401 и последующие (1970)). Важно проводить и понимать это различие при пропаганде или использовании стратегий по улучшению качества воздуха в помещении. Что касается качества воздуха внутри помещений, ВСЕ органические химические соединения, состав которых дает им возможность испаряться при нормальных атмосферных условиях, считаются ЛОС и должны учитываться при любой оценке воздействия на качество воздуха внутри помещений.


Ссылки

  1. Органическое соединение представляет собой любое из большого класса химических соединений, молекулы которых содержат углерод. По историческим причинам некоторые типы соединений, такие как карбонаты, простые оксиды углерода и цианиды, а также аллотропы углерода, считаются неорганическими. Разделение на «органические» и «неорганические» соединения углерода полезно, но его можно считать несколько произвольным.
  2. Свод федеральных правил, 40: глава 1, подраздел C, часть 51, подраздел F, 51100.по состоянию на 8 февраля 2009 г., а также Глоссарий терминов охраны окружающей среды, сокращений и акронимов Агентства по охране окружающей среды.
  3. Нормальные атмосферные условия температуры и давления в помещении, используемые здесь, относятся к диапазону условий, обычно встречающихся в зданиях, в которых проживают люди. Таким образом, в зависимости от типа здания и его географического положения, температура может быть от середины 30-х (по Фаренгейту) до 90° F, а давление может быть от уровня моря до высоты гор, где здания могут быть разрушены. расположен.Это не следует путать со «стандартной температурой и давлением», которые часто используются при анализе и представлении научных исследований, но по-разному определяются разными авторитетами. Наиболее часто используемые, хотя и не общепринятые, определения принадлежат Международному союзу теоретической и прикладной химии (IUPAC) и Национальному институту стандартов и технологий (NIST). Стандартом IUPAC является температура 0 ° C (273, 15 K, 32 ° F) и абсолютное давление 100 кПа (14,504 фунта на кв. Дюйм), определение NIST — температура 20 ° C (293, 15 K, 68 ° F). и абсолютное давление 101.325 кПа (14,696 фунтов на кв. дюйм).
  4. Летучесть определяется давлением паров вещества. Это склонность вещества к испарению или скорость, с которой оно испаряется. Вещества с более высоким давлением пара испаряются легче при данной температуре, чем вещества с более низким давлением пара.
  5. «Директива 2004/42/CE Европейского парламента и Совета» EUR-Lex. Бюро публикаций Европейского Союза. Проверено 27 сентября 2007 г.
  6. 101,3 кПа = 1 атмосфера, нормальное давление на уровне моря.
  7. 250°С = 482°F
  8. Всемирная организация здравоохранения, 1989 г. «Качество воздуха в помещении: органические загрязнители». Отчет о совещании ВОЗ, Берлин, 23-27 августа 1987 г. Доклады и исследования ЕВРО 111. Копенгаген, Европейское региональное бюро Всемирной организации здравоохранения.
  9. На концентрацию озона в помещении может влиять количество озона, испускаемого в помещении офисным оборудованием, таким как фотокопии и лазерные принтеры, а также озона, попадающего в помещение либо путем инфильтрации, либо с воздухом.

Как написать формулу химического соединения

Обновлено 27 ноября 2018 г.

Автор Karen G Blaettler

Формулы химических соединений обеспечивают сокращенное представление структуры молекул и соединений. Чтение и написание химических формул соединений требует лишь небольшого понимания языка химии.

Определения терминов

Наука зависит от точности языка для эффективного общения.Следующие определения помогут вам научиться писать химическую формулу для различных соединений.

Атомы — мельчайшие частицы элемента. Атомы не могут быть разрушены дальше и все еще сохраняют уникальные характеристики элемента. Атомы состоят из трех основных субчастиц: протоны (положительные частицы) и нейтроны (частицы без заряда) образуют ядро ​​или центр атома, а электроны (с отрицательными зарядами) движутся вокруг ядра. Эти крошечные электроны играют решающую роль в формировании соединений.

Элементы содержат атомы только одного типа. Элементами могут быть металлы, неметаллы или полуметаллы.

Соединения образуются при химическом соединении атомов. Когда металлы соединяются (реагируют) с неметаллами, обычно образуются ионные соединения. При соединении неметаллов обычно образуются ковалентные соединения.

Молекулы — это наименьшая часть соединения, обладающая свойствами соединения. Молекулы не имеют заряда, а это означает, что положительные и отрицательные стороны компенсируют друг друга.

Ионы образуются, когда атом или группа атомов приобретает или теряет один или несколько электронов, что приводит к образованию отрицательно или положительно заряженных частиц.Положительные ионы образуются, когда электроны теряются или уносятся. Отрицательные ионы образуются при присоединении электронов.

Химическая формула представляет собой химический состав вещества. Написание химических уравнений требует понимания того, как работают химические формулы.

Идентификация символов элементов

Каждый элемент имеет свой собственный символ. Периодическая таблица элементов показывает элементы и их символы, которые обычно представляют собой первую букву или первые две буквы названия элемента.Однако некоторые элементы известны так давно, что их символы происходят от их латинских или греческих названий. Например, обозначение свинца Pb происходит от латинского слова plumbum .

Написание химических символов

Химические символы, состоящие из двух букв, всегда имеют первую букву заглавной, а вторую букву — строчной. Этот стандартный формат предотвращает путаницу. Например, символ Bi представляет собой висмут, элемент 83. Если вы видите BI, это представляет собой соединение, состоящее из бора (B, элемент 5) и йода (I, элемент 53).

Числа в химических формулах

Положение чисел в химических формулах дает конкретную информацию об элементе или соединении.

Количество атомов или молекул

Число, предшествующее символу элемента или формуле соединения, указывает количество атомов или молекул. Если перед символом не стоит число, значит, имеется только один атом или молекула. Например, рассмотрим формулу химической реакции, в результате которой образуется углекислый газ: C + 2O → CO 2 .Цифра 2 перед символом кислорода O показывает, что в реакции участвуют два атома кислорода. Отсутствие числа перед символом углерода C и формула соединения CO 2 показывает, что имеется один атом углерода и одна молекула углекислого газа.

Значение нижних индексов

Нижние индексы в химических формулах представляют собой количество атомов или молекул, непосредственно предшествующих нижнему индексу. Если за химическим символом не следует нижний индекс, в молекуле встречается только один элемент или соединение.В примере с двуокисью углерода CO 2 нижний индекс 2 после символа кислорода O говорит о том, что в соединении CO 2 имеется два атома кислорода, а отсутствие нижнего индекса после символа C говорит о том, что в молекуле присутствует только один атом углерода. молекула. Более сложные молекулы, такие как нитрат-ион NO 3 , будут заключены в круглые скобки, если в формуле встречается более одной молекулы, а нижний индекс будет помещен вне закрывающей круглой скобки. Например, соединение нитрат магния записывается как Mg(NO 3 ) 2 .В этом примере соединение имеет один атом магния и две молекулы нитрата.

Значение надстрочных чисел и знаков

Надстрочные числа и знаки представляют заряды ионов. Ионы могут быть отдельными атомами или многоатомными. Большинство многоатомных ионов имеют отрицательный заряд. Отрицательные заряды возникают, когда количество электронов превышает количество протонов. Положительные заряды возникают, когда количество протонов превышает количество электронов.

На примере нитрата магния формула химической реакции:

Mg 2+ + 2(NO 3 ) → Mg(NO 3 ) 7 Надстрочный индекс 5 5 (который также может быть записан как +2 или ++) показывает, что ион магния имеет два дополнительных положительных заряда, а верхний индекс — показывает, что ион нитрата NO 3 имеет один отрицательный заряд.Поскольку конечная молекула должна быть нейтральной, положительные и отрицательные стороны должны компенсировать друг друга, чтобы в сумме получить ноль. Таким образом, один положительный ион магния с его зарядом 2+ соединяется с двумя отрицательными ионами нитрата с одним отрицательным зарядом каждый, образуя нейтральную молекулу нитрата магния:

Числа и химические префиксы

определить количество атомов или ионов в соединении. Общие префиксы включают моно (один или один), би или ди (два или двойной), три (три), тетра (четыре), пента (пять), гекса (шесть) и гепта (семь).Например, монооксид углерода имеет один атом углерода и один атом кислорода, а диоксид углерода имеет один атом углерода и два атома кислорода. Химические формулы CO и CO 2 соответственно.

Дополнительные химические сокращения

При наименовании химических веществ часто используются специальные термины и сокращения. Катион или положительный ион используют название элемента с римской цифрой, если элемент имеет более одного возможного заряда. Если только один элемент образует анион или отрицательный ион, вторым термином является название «корневого» элемента с окончанием -ide, например оксид (кислород + ид) или хлорид (хлор + ид).Если анион многоатомный, название происходит от названия многоатомного иона. Эти имена должны быть сохранены, но некоторые общие многоатомные ионы включают в себя:

  • гидроксида (ОН )
  • карбоната (CO 3 )
  • фосфата (PO 4 3-)
  • Нитрат (№ 3 )
  • Сульфат (SO 4 2-)

Химическая формирование. Примеры

). Следующие экзрены.Хотя название обычно показывает порядок атомов или соединений, как узнать, какой элемент стоит первым в химической формуле? При написании формулы первым идет положительный атом или ион, за которым следует название отрицательного иона.

Химическое название поваренной соли – хлорид натрия. Периодическая таблица показывает, что символом натрия является Na, а символом хлора является Cl. Химическая формула хлорида натрия – NaCl.

Химическое название растворителя для химической чистки – четыреххлористый углерод.Символ углерода — C. Тетра означает четыре, а символ хлора — Cl. Химическая формула четыреххлористого углерода CCl 4 .

Химическое название пищевой соды – бикарбонат натрия. Символом натрия является Na. Приставка bi- означает два или два, а карбонат относится к многоатомному иону CO 3 . Таким образом, химическая формула Na(CO 3 ) 2 .

Попробуйте написать формулу соединения под названием диазот гептахлорид.Di- означает два или двойной, поэтому атомов азота два. Гепта- означает семь, поэтому атомов хлорида (хлора) семь. Тогда формула должна быть N 2 Cl 7 .

Одним из немногих положительно заряженных многоатомных ионов является аммоний. Формула иона аммония: NH 3 + . Соединение гидроксида аммония имеет формулу NH 3 OH. Хотя может показаться логичным объединить символы так, чтобы формула читалась как NH 4 O, это было бы неправильно.Чтобы правильно написать химическую формулу этой молекулы, два многоатомных иона, аммоний и гидроксид, представлены в формуле отдельно.

Формула переходного металла

Переходные металлы могут образовывать различные ионы. Заряд будет показан в названии соединения в виде римской цифры. Например, соединение CuF 2 будет записано как фторид меди (II), поскольку заряд фторид-иона всегда равен 1-, поэтому уравновешивающий ион меди должен иметь заряд 2+.Используя эту модель, формула хлорида железа (III) должна быть FeCl 3 , поскольку железо (III) имеет заряд 3+. Зная, что один ион хлора имеет один отрицательный заряд, нейтральная молекула должна иметь три отрицательных иона хлора, чтобы уравновесить ион железа (III).

Однако более традиционные, менее стандартизированные названия все еще существуют в химии. Например, многие ополаскиватели с фтором содержат в качестве ингредиента фторид двухвалентного олова. Двухвалентное олово относится к олову (II), поэтому химическая формула фтористого двухвалентного олова: SnF 2 .Другие часто используемые нестандартные названия включают трехвалентное [железо (III)], двухвалентное [железо (II)] и олово [олово (IV)]. Суффикс -ic относится к форме с более высоким ионным зарядом, а суффикс -ous относится к форме с более низким ионным зарядом.

Наша коллекция соединений » Центр молекулярных исследований

BU-CMD унаследовал коллекцию скрининга малых молекул CMLD-BU: постоянно растущий набор структурно разнообразных соединений, первоначально собранных в течение 12 лет Инициативы центра NIGMS CMLD.Коллекция также содержит более 1000 соединений, полученных с помощью «разнообразных коллекций» синтетических мишеней и промежуточных продуктов, созданных нашими внешними коллегами.

НАШ ПОДХОД

Наш центр стремится создать новые хемотипы, которые уникальным образом исследуют трехмерное пространство, используя стереохимические и позиционные вариации в молекулярном каркасе в качестве элементов разнообразия в дизайне библиотек. Разработка стереоуправляемых химических библиотек в CMLD-BU (а теперь и в BU-CMD) руководствуется несколькими основными стратегиями, в том числе:

  • Эффективное стереоселективное создание разнообразных каркасов с помощью перегруппировок, аннеляций и циклоприсоединений
  • Открытие новых трансформаций и хемотипов с помощью скрининга реакций
  • Разработка фотохимических и микрожидкостных технологий для обнаружения реакций, разработка методологии и синтез библиотеки
  • Конвергентный синтез сложных молекул посредством перетасовки доменов
  • Использование стереохимически четко определенных строительных блоков для создания новых каркасов с позиционным и стереохимическим разнообразием

АНАЛИЗ СБОРА

Щелкните следующую ссылку, чтобы загрузить PDF-файл нашей сводки по хемотипам за 2012 г., содержащий репрезентативные структуры хемотипов, найденных в нашей скрининговой коллекции, с анализом физических свойств и соответствующими ссылками на литературу: [CMLDchemotypes_Oct2012]

ПОДАЧА

Если вы химик-синтетик и хотите внести свой вклад в коллекцию скрининга BU-CMD, посетите нашу страницу Diversity Collection для получения дополнительной информации.

ПРОСЕТИВАНИЕ

Если вы заинтересованы в получении копии нашей коллекции для скрининга, посетите нашу страницу Biological Outreach для получения дополнительной информации о присоединении к нашему Консорциуму химических библиотек.

Соединения из коллекции CMD/CMLD также доступны для скрининга в следующих партнерских учреждениях:

Химическое соединение — История — Состав, Пруст, оксид и Бертолле

До 1800-х годов термин «соединение» имел относительно небольшое точное значение.При использовании часто было неясно, имелось ли в виду то, что ученые теперь называют смесью, или то, что они теперь знают как соединение. В девятнадцатом веке споры о значении этого слова усилились, и он стал одним из ключевых вопросов в молодой науке о химии.

Важным аспектом этих дебатов был вопрос о постоянном составе. Вопрос заключался в том, всегда ли все соединения имели один и тот же состав или же их состав мог варьироваться.Главный представитель Смесь против соединения. Иллюстрация Аргози. Группа Гейл. на последней позиции был французский химик Клод Луи Бертолле. Бертолле указал на значительное количество свидетельств, указывающих на переменный состав соединений. Например, при нагревании некоторые металлы образуют оксиды, процентный состав которых, по-видимому, регулярно меняется. Чем дольше они нагреваются, тем выше процентное содержание кислорода в оксиде. Бертолле также упомянул сплавы и амальгамы как примеры веществ с различным составом.

Главным противником Бертолле в этих дебатах был его соотечественник Жозеф Луи Пруст. Пруст утверждал, что атомная теория Дальтона требует, чтобы соединения имели постоянный состав, и эту позицию выдвинул сам Дальтон. Пруст намеревался опровергнуть каждый из аргументов, выдвинутых Бертолле. Например, в случае оксидов металлов Пруст смог показать, что металлы часто образуют более одного оксида. Например, при нагревании металла меди сначала образуется медь (I) или оксид меди, а затем медь (II) или оксид меди.Таким образом, в любой момент времени экспериментатор сможет обнаружить некоторую смесь двух оксидов, варьирующуюся от чистого оксида меди (I) до чистого оксида меди (II). Однако каждый из двух оксидов сам по себе, утверждал Пруст, имеет заданный и постоянный состав.

Работа в пользу Пруста была аргументом, который был готов признать почти каждый, а именно, что количественные методы в химии еще не были достаточно развиты. Таким образом, можно утверждать, что то, что казалось вариациями химического состава, на самом деле было не чем иным, как естественной изменчивостью результатов, возникающей в результате неточных методов.

Пруст остался озадачен некоторыми свидетельствами Бертолле, например проблемой сплавов и амальгам. В то время у него не было возможности узнать, что такие материалы не являются соединениями, а на самом деле являются смесями. Несмотря на эти оставшиеся проблемы, аргументы Пруста в конце концов победили, и к концу века постоянный состав соединений был общепризнан в химии.


Глава 4 – Ковалентные связи и молекулярные соединения – Химия

Глава 4 – Ковалентные связи и молекулярные соединения

Этот текст опубликован в соответствии с лицензией Creative Commons, для ссылки и адаптации, пожалуйста, нажмите здесь.

 4.1 Введение в ковалентные молекулы и соединения
Как распознать ковалентные связи

4.2 Обмен электронами
Одинарные ковалентные связи между одинаковыми атомами
Одиночные ковалентные связи между различными атомами
Множественные ковалентные связи
Координатные ковалентные связи

4.3 Электроотрицательность и полярность связи

4.4 Свойства молекулярных соединений

4.5 Именование бинарных молекулярных соединений

4.6 Краткое содержание главы

4.7 Каталожные номера

 


Глава 4 – Ковалентные связи и молекулярные соединения

Химические связи обычно делятся на два принципиально разных типа: ионные и ковалентные. В действительности, однако, связи в большинстве веществ не являются ни чисто ионными, ни чисто ковалентными, а лежат в спектре между этими крайностями.Хотя чисто ионные и чисто ковалентные связи представляют собой крайние случаи, которые редко встречаются в любых, кроме очень простых веществ, краткое обсуждение этих двух крайностей помогает объяснить, почему вещества с разными видами химических связей обладают очень разными свойствами. Ионные соединения состоят из положительно и отрицательно заряженных ионов, удерживаемых вместе сильными электростатическими силами, тогда как ковалентные соединения обычно состоят из молекул, представляющих собой группы атомов, в которых одна или несколько пар электронов являются общими для связанных атомов.В ковалентной связи атомы удерживаются вместе за счет электростатического притяжения между положительно заряженными ядрами связанных атомов и отрицательно заряженными электронами, которые они разделяют. В этой главе основное внимание будет уделено свойствам ковалентных соединений.

 4.1 Введение в ковалентные молекулы и соединения

Точно так же, как атом является простейшей единицей, обладающей фундаментальными химическими свойствами элемента, молекула является простейшей единицей, обладающей фундаментальными химическими свойствами ковалентного соединения.Таким образом, термин молекулярное соединение используется для описания элементов, которые связаны ковалентной связью, и для отличия соединений от ионных соединений. Некоторые чистые элементы существуют в виде ковалентных молекул. Водород, азот, кислород и галогены встречаются в природе в виде двухатомных («два атома») молекул H 2 , N 2 , O 2 , F 2 , Cl 2 , Br 2 , и I 2 (часть (а) на рис. 4.1). Точно так же несколько чистых элементов существуют в виде многоатомных («многоатомных») молекул, таких как элементарный фосфор и сера, которые встречаются как P 4 и S 8 (часть (b) на рисунке 4.1).

Рис. 4.1 Элементы, существующие в виде ковалентных молекул. (a) Некоторые элементы в природе существуют в виде двухатомных молекул, в которых два атома (Е) соединены одной или несколькими ковалентными связями, образуя молекулу с общей формулой Е2. б) Некоторые элементы в природе существуют в виде многоатомных молекул, содержащих более двух атомов. Например, фосфор существует в виде тетраэдров P4 — правильных многогранников с четырьмя треугольными сторонами — с атомом фосфора в каждой вершине. Элементарная сера состоит из сморщенного кольца из восьми атомов серы, соединенных одинарными связями.Селен не показан из-за сложности его строения.


Каждое ковалентное соединение представлено молекулярной формулой, которая дает атомный символ для каждого составляющего элемента в установленном порядке, сопровождаемый нижним индексом, указывающим количество атомов этого элемента в молекуле. Нижний индекс записывается только в том случае, если число атомов больше 1. Например, вода с двумя атомами водорода и одним атомом кислорода на молекулу записывается как H 2 O. Точно так же двуокись углерода, содержащая один атом углерода и два атома кислорода в каждой молекуле записывается как CO 2 .

Ковалентные соединения, содержащие преимущественно углерод и водород, называются органическими соединениями . При представлении формул органических соединений принято сначала писать углерод, затем водород, а затем любые другие элементы в алфавитном порядке (например, CH 4 O — метиловый спирт, топливо). Соединения, состоящие в основном из элементов, отличных от углерода и водорода, называются неорганическими соединениями ; они включают как ковалентные, так и ионные соединения.Соглашение о написании неорганических соединений включает в себя перечисление составных элементов, начиная с самого левого в периодической таблице, например, CO 2 или SF 6 . Те, кто находится в одной группе, перечислены, начиная с нижнего элемента и вверх, как в ClF. Однако по соглашению, когда неорганическое соединение содержит как водород, так и элемент из групп 13–15, водород обычно указывается в формуле последним. Примерами являются аммиак (NH 3 ) и силан (SiH 4 ).Такие соединения, как вода, состав которых был установлен задолго до того, как была принята эта конвенция, всегда пишутся сначала водородом: вода всегда пишется как H 2 O, а не OH 2 . Обычно это отличается, когда водород участвует в ковалентной связи, а не в ионном взаимодействии, как это наблюдается во многих неорганических кислотах, таких как соляная кислота (HCl) и серная кислота (H 2 SO 4 ), как описано в глава 3.


Как распознать ковалентные связи

В главе 3 мы видели, что ионные соединения состоят преимущественно из металла и неметалла.С другой стороны, ковалентные молекулы обычно состоят из двух неметаллов или неметалла и металлоида. Это начальный метод скрининга, который можно использовать для классификации соединений на ионную или ковалентную клеточную структуру.

Рисунок 4.2 Распознавание ионных и ковалентных соединений. Обычно соединения, образованные из комбинации металла с неметаллом, имеют более ионный характер связи, тогда как соединения, образованные из двух неметаллов или металлоида и неметалла, демонстрируют более ковалентный характер.Хотя соединения обычно находятся в спектре где-то между полностью ионным и полностью ковалентным характером, для целей именования это руководство хорошо работает.


4.2 Обмен электронами
Одинарные ковалентные связи между одинаковыми атомами

В главе 3 описано, как электроны могут передаваться от одного атома к другому так, чтобы оба атома имели энергостабильную внешнюю электронную оболочку в соответствии с правилом октета .Однако есть и другой способ, которым атом может достичь полной валентной оболочки: атомы могут делиться электронами, чтобы достичь состояния октета (или состояния дуэта в случае водорода).

Эту концепцию можно проиллюстрировать с помощью двух атомов водорода, каждый из которых имеет один электрон в своей валентной оболочке. (Для небольших атомов, таких как атомы водорода, валентная оболочка будет первой оболочкой, которая содержит только два электрона.) Мы можем представить два отдельных атома водорода следующим образом:

В этой ситуации ни один водород не может достичь предпочтительного дуэтного состояния.Напротив, когда два атома водорода сближаются достаточно близко, чтобы разделить свои электроны, их можно представить следующим образом:

Совместно используя свои валентные электроны, оба атома водорода теперь имеют по два электрона в своих соответствующих валентных оболочках. Поскольку каждая валентная оболочка теперь заполнена, такое расположение более стабильно, чем когда два атома разделены. В этой конфигурации каждый водород имеет электронную конфигурацию, эквивалентную электронной конфигурации благородного газа гелия. Совместное использование электронов между атомами называется ковалентной связью , а два электрона, которые соединяют атомы в ковалентной связи, называются связывающей парой электронов .Дискретная группа атомов, соединенных ковалентными связями, называется молекулой — наименьшей частью соединения, которая сохраняет химическую идентичность этого соединения. Например, одна молекула воды будет содержать два атома водорода и один атом кислорода (H 2 O).

Химики часто используют электронно-точечные диаграммы Льюиса для представления ковалентной связи в молекулярных веществах. Например, диаграммы Льюиса двух отдельных атомов водорода выглядят следующим образом:

Диаграмма Льюиса двух атомов водорода с общими электронами выглядит так:

Это изображение молекул еще больше упрощается за счет использования тире для обозначения ковалентной связи.Тогда молекула водорода представляется следующим образом:

Помните, что тире, также называемое одинарной связью, обозначает пару связывающих электронов.

Связь в молекуле водорода, измеренная как расстояние между двумя ядрами, составляет около 7,4 × 10 –11 м, или 74 пикометра (пм; 1 пм = 1 × 10 –12 м). Эта конкретная длина связи представляет собой баланс между несколькими силами: (1) притяжением между противоположно заряженными электронами и ядрами, (2) отталкиванием между двумя отрицательно заряженными электронами и (3) отталкиванием между двумя положительно заряженными ядрами.Если бы ядра были ближе друг к другу, они сильнее отталкивались бы друг от друга; если бы ядра были дальше друг от друга, между положительными и отрицательными частицами было бы меньше притяжения.

Фтор — еще один элемент, атомы которого соединяются парами, образуя двухатомные (двухатомные) молекулы. Два отдельных атома фтора имеют следующие электронные точечные диаграммы:

Каждый атом фтора вносит один валентный электрон, образуя одинарную связь и давая каждому атому полную валентную оболочку, что соответствует правилу октета:

Кружками показано, что каждый атом фтора имеет восемь электронов вокруг себя.Как и в случае с водородом, мы можем представить молекулу фтора с тире вместо связывающих электронов:

Каждый атом фтора имеет шесть электронов или три пары электронов, которые не участвуют в ковалентной связи. Вместо того, чтобы быть общими, они считаются принадлежащими одному атому. Они называются несвязывающими парами (или неподеленными парами) электронов.


Одиночные ковалентные связи между различными атомами

Теперь, когда мы рассмотрели обмен электронами между атомами одного и того же элемента, давайте посмотрим на образование ковалентной связи между атомами разных элементов.Рассмотрим молекулу, состоящую из одного атома водорода и одного атома фтора:

Каждому атому требуется один дополнительный электрон, чтобы завершить свою валентную оболочку. Каждый вкладывая один электрон, они образуют следующую молекулу:

В этой молекуле атом водорода не имеет несвязывающих электронов, а атом фтора имеет шесть несвязывающих электронов (три неподеленные электронные пары). Кружками показано, как заполнены оболочки валентных электронов у обоих атомов (напомним, что водород заполнен двумя электронами).

Более крупные молекулы построены аналогичным образом, причем некоторые атомы участвуют более чем в одной ковалентной связи. Например, вода с двумя атомами водорода и одним атомом кислорода и метан (СН 4 ) с одним атомом углерода и четырьмя атомами водорода могут быть представлены следующим образом:

Атомы обычно образуют определенное количество ковалентных связей в соединениях. На рис. 4.3 показаны конфигурации валентных электронов каждого семейства элементов (или столбца).

Рис. 4.3 Периодическая таблица со структурами Льюиса.  Каждое семейство представляет репрезентативную структуру Льюиса для этой группы элементов. Что касается неметаллов (семейства 4А, 5А, 6А и 7А), они могут принять дополнительное количество общих связей для достижения состояния октета. Семейство 4А может иметь 4 общих ковалентных связи (4 + 4 = 8), тогда как Семейства 5А, 6А и 7А могут иметь 3, 2 и 1 ковалентную связь соответственно для достижения состояния октета. Исключения из правила октета существуют. Например, водород можно отнести к группе 1 или группе 7А, поскольку он обладает свойствами, сходными с обеими группами.Водород может участвовать как в ионной, так и в ковалентной связи. При участии в ковалентной связи водороду требуется всего два электрона, чтобы иметь полную валентную оболочку. Поскольку у него изначально один электрон, он может образовать только одну ковалентную связь. Точно так же бор имеет 3 электрона на внешней оболочке. Этот неметалл обычно образует 3 ковалентные связи, имея максимум 6 электронов на внешней оболочке. Таким образом, бор никогда не может достичь состояния октета. Другие атомы могут иметь расширенные орбитали и принимать дополнительные ковалентные связи.Двумя из них, которые важны для живых систем, являются сера и фосфор. По правилу октета сера может образовывать 2 ковалентные связи, а фосфор — 3 ковалентные связи. Сера также может иметь расширенные орбитали для принятия 4 или 6 ковалентных связей, а фосфор может расширяться до 5 ковалентных связей.


Множественные ковалентные связи

Во многих молекулах правило октета не будет выполняться, если каждая пара связанных атомов имеет только два общих электрона. Рассмотрим двуокись углерода (CO 2 ).Если каждый атом кислорода делит один электрон с атомом углерода, мы получаем следующее:

Это не дает ни атомам углерода, ни атомам кислорода полного октета; Атом углерода имеет только шесть электронов на своей валентной оболочке, а каждый атом кислорода имеет только семь электронов на своей валентной оболочке. Таким образом, ни один из атомов не может достичь состояния октета в текущей конфигурации. Как написано, это будет нестабильная молекулярная конформация.

Иногда два атома должны иметь более одной пары электронов, чтобы оба атома имели октет.В диоксиде углерода второй электрон от каждого атома кислорода также является общим с центральным атомом углерода, а атом углерода делит еще один электрон с каждым атомом кислорода:

В этом расположении атом углерода имеет четыре общих электрона (две пары) с атомом кислорода слева и четыре электрона с атомом кислорода справа. Теперь вокруг каждого атома восемь электронов. Две пары электронов, общие для двух атомов, образуют двойную связь между атомами, которая представлена ​​двойным тире:

.

Некоторые молекулы содержат тройные связи, ковалентные связи, при которых три пары электронов являются общими для двух атомов.Простое соединение с тройной связью — ацетилен (C 2 H 2 ), диаграмма Льюиса которого имеет следующий вид:


Координатные ковалентные связи

Координатная связь (также называемая дативной ковалентной связью) — это ковалентная связь (общая пара электронов), в которой и электрона исходят от одного и того же атома. Ковалентная связь образуется двумя атомами, имеющими общую пару электронов. Атомы удерживаются вместе, потому что электронная пара притягивается обоими ядрами.При образовании простой или обычной ковалентной связи каждый атом передает связи один электрон, но это не обязательно. В случае координационной ковалентной связи один атом поставляет оба электрона, а другой атом не поставляет ни одного из электронов. Следующая реакция между аммиаком и соляной кислотой демонстрирует образование координационной ковалентной связи между аммиаком и ионом водорода (протоном).

Реакция между аммиаком и соляной кислотой

Если смешать эти бесцветные газы, образуется густой белый дым твердого хлорида аммония.

Общая реакция

NH 3 (г) + HCl (г) → NH 4 Cl(s)

Ионы аммония, NH 4 + , образуются в результате переноса иона водорода (протона) из молекулы соляной кислоты на неподеленную пару электронов в молекуле аммиака. Чтобы визуализировать эту реакцию, мы можем использовать конфигурации электронных точек, чтобы наблюдать за движением электронов во время реакции. Сначала вспомните состояния валентных электронов для всех атомов, участвующих в реакции:

В левой части уравнения (слева от стрелки) указаны реагенты реакции (аммиак и соляная кислота).В правой части реакции (справа от стрелки) находится продукт реакции, ионное соединение – хлорид аммония. На приведенной ниже диаграмме показано движение электрона и протона во время реакции.

Рисунок 4.4. Образование хлорида аммония. Когда образуется ион аммония NH 4 + , четвертый водород (показан красным) присоединяется ковалентной ковалентной связью, потому что только ядро ​​водорода переносится от хлора к азоту.Электрон водорода остается на хлоре, образуя отрицательный ион хлора. Когда ион аммония образовался, невозможно определить разницу между координатной ковалентной и обычной ковалентной связью, все атомы водорода в молекуле эквивалентны, а дополнительный положительный заряд распределен по всей молекуле. Хотя на схеме электроны показаны по-разному, в действительности между ними нет никакой разницы. На простых схемах координатная связь показана изогнутой стрелкой.Стрелка указывает от атома, отдающего неподеленную пару, к атому, принимающему ее.


4.3 Электроотрицательность и полярность связи

Хотя мы определили ковалентную связь как совместное использование электронов, электроны в ковалентной связи не всегда делятся поровну между двумя связанными атомами. Если связь не соединяет два атома одного и того же элемента, всегда будет один атом, который притягивает электроны в связи сильнее, чем другой атом, как показано на рисунке 4.5. Когда возникает такой дисбаланс, в результате происходит накопление некоторого отрицательного заряда (называемого частичным отрицательным зарядом и обозначаемого δ-) на одной стороне связи и некоторого положительного заряда (обозначаемого δ+) на другой стороне связи. . Ковалентная связь с неравным распределением электронов, как в части (b) на рис. 4.5, называется полярной ковалентной связью . Ковалентная связь с одинаковым распределением электронов (часть (а) на рис. 4.5) называется неполярной ковалентной связью .

Рис. 4.5 Полярные и неполярные ковалентные связи. (а) Электроны в ковалентной связи принадлежат поровну обоим атомам водорода. Это неполярная ковалентная связь. (б) Атом фтора притягивает электроны в связи больше, чем атом водорода, что приводит к дисбалансу в распределении электронов. Это полярная ковалентная связь.


Любая ковалентная связь между атомами различных элементов является полярной связью, но степень полярности варьируется в широких пределах.Некоторые связи между различными элементами лишь минимально полярны, в то время как другие сильно полярны. Ионные связи можно считать предельно полярными, когда электроны передаются полностью, а не делятся. Чтобы судить об относительной полярности ковалентной связи, химики используют электроотрицательность , которая является относительной мерой того, насколько сильно атом притягивает электроны, когда он образует ковалентную связь.

Существуют различные числовые шкалы для оценки электроотрицательности.На рис. 4.6 показана одна из самых популярных — шкала Полинга . О полярности ковалентной связи можно судить, определяя разницу в электроотрицательности между двумя атомами, образующими связь. Чем больше разница в электроотрицательностях, тем больше дисбаланс совместного использования электронов в связи.

Рисунок 4.6 Электроотрицательность различных элементов. Шкала электроотрицательности Полинга имеет значение для атомов фтора, равное 4.0, самое высокое значение.

Хотя жестких правил не существует, общее правило состоит в том, что разница в электроотрицательности менее 0,4 указывает на то, что связь является неполярной; когда разница больше 0,4, связь считается полярной. Когда разница в электроотрицательностях достаточно велика (обычно больше примерно 1,8), полученное соединение считается ионным, а не ковалентным. Нулевая разность электроотрицательностей, конечно, указывает на неполярную ковалентную связь.Примеры разницы электроотрицательностей показаны на рис. 4.7.

Рисунок 4.7 Диаграмма разницы электроотрицательности. На приведенной выше диаграмме показано, какой тип связи образуется между двумя разными атомами. Взяв разницу между значениями электроотрицательности для каждого из атомов, участвующих в связи, можно предсказать тип связи и полярность. Обратите внимание, что полный ионный характер достигается редко, однако, когда металлы и неметаллы образуют связи, они называются с использованием правил ионной связи.


Когда связи молекулы полярны, молекула в целом может демонстрировать неравномерное распределение заряда в зависимости от того, как ориентированы отдельные связи. Например, ориентация двух связей О–Н в молекуле воды (рис. 4.8) искривлена: один конец молекулы имеет частичный положительный заряд, а другой — частичный отрицательный заряд. Короче говоря, сама молекула полярна. Полярность воды оказывает огромное влияние на ее физические и химические свойства.(Например, температура кипения воды [100°C] высока для такой маленькой молекулы и связана с тем, что полярные молекулы сильно притягиваются друг к другу.) Напротив, в то время как две связи C=O в диоксиде углерода полярные, они лежат прямо напротив друг друга в молекуле и, таким образом, компенсируют эффекты друг друга. Таким образом, молекулы углекислого газа в целом неполярны. Отсутствие полярности влияет на некоторые свойства углекислого газа. (Например, углекислый газ становится газом при -77°С, что почти на 200° ниже температуры кипения воды.)

Рис. 4.8 Физические свойства и полярность. На физические свойства воды (а) и углекислого газа (б) влияет их молекулярная полярность. Обратите внимание, что стрелки на диаграмме всегда указывают в том направлении, где электроны сильнее притягиваются. На этой диаграмме символ дельта (δ) используется с символом (+) или (-) для представления частичного положительного и частичного распределения отрицательного заряда в полярных ковалентных связях. Обратите внимание, что электроны, общие для полярных ковалентных связей, будут притягиваться и проводить больше времени вокруг атома с более высоким значением электроотрицательности.Когда полярность равна и прямо противоположна, как в случае двуокиси углерода (b), вся молекула не будет иметь общего заряда.


(ВВЕРХ)


4.4 Свойства молекулярных соединений

Молекулярные соединения обладают многими свойствами, которые отличаются от ионных соединений. Некоторые обобщения для этой группы включают гораздо более низкие температуры плавления и кипения по сравнению с их ионными аналогами.Например, вода (H 2 O) имеет температуру плавления 4 o C и температуру кипения 100 o C по сравнению с NaCl, который имеет температуру плавления 801 o C и температуру кипения 1,413 o C. Это связано с тем, что полные заряды, созданные в ионных связях, обладают гораздо большей силой притяжения, чем сравнительно слабые частичные заряды, созданные в ковалентных молекулах. таким образом, ионные соединения имеют тенденцию образовывать очень прочные структуры кристаллической решетки из-за повторяющихся зарядов катионных и анионных компонентов.С другой стороны, ковалентные соединения обычно не имеют таких хорошо структурированных трехмерных форм. Таким образом, они имеют тенденцию быть более хрупкими и легче ломаются в твердой форме, и многие из них находятся в жидкой и газовой фазах. Кроме того, из-за отсутствия у них заряда они, как правило, являются плохими электрическими и тепловыми проводниками. Многие из них также нерастворимы в воде из-за их неполярной природы (например, масло и вода не смешиваются).

В таблице 4.1 показаны общие различия между ковалентными и ионными соединениями.

Таблица 4.1 Сравнение ионных и ковалентных соединений

4.5 Именование бинарных молекулярных соединений

Напомним, что молекулярная формула показывает количество атомов каждого элемента, содержащегося в молекуле. Молекула воды содержит два атома водорода и один атом кислорода, поэтому ее формула H 2 O. Молекула октана, входящего в состав бензина, содержит 8 атомов углерода и 18 атомов водорода. Молекулярная формула октана C 8 H 18 .При написании химической формулы наименее электроотрицательный элемент (элемент, который находится левее или ниже в той же семейной группе) записывается первым, а более электроотрицательный элемент записывается вторым. Вам необходимо знать, как называть простые бинарные ковалентные соединения (соединения, состоящие из двух разных элементов)

.

Рисунок 4.9 Двуокись азота (NO 2 ) представляет собой красновато-коричневый токсичный газ, который является заметным загрязнителем воздуха, вырабатываемым двигателями внутреннего сгорания.

 

 

 

 

 

 


Элементы, которые объединяются в бинарные молекулярные соединения, являются атомами неметаллов или представляют собой комбинацию неметалла и металлоида. Это контрастирует с ионными соединениями, которые были образованы из иона металла и иона неметалла. Следовательно, бинарные молекулярные соединения отличаются тем, что заряды ионов нельзя использовать для их названий или написания их формул. Еще одно отличие состоит в том, что два атома неметалла часто соединяются друг с другом в различных соотношениях.Рассмотрим элементы азот и кислород. Они объединяются, чтобы сделать несколько соединений, включая

.
НЕТ, НЕТ 2 и N 2 O

Их всех нельзя назвать оксидом азота. Как кто-нибудь узнает, о ком вы говорили? Каждое из трех соединений имеет очень разные свойства и реакционную способность. Необходима система для различения таких соединений.

Префиксы используются в названиях бинарных молекулярных соединений для определения количества атомов каждого элемента.В таблице ниже показаны префиксы до десяти.

Таблица 4.2 Префиксы, используемые для номенклатуры бинарных ковалентных молекул

Правила использования префиксной системы номенклатуры бинарных соединений можно резюмировать следующим образом.

  1. Обычно менее электроотрицательный элемент пишется в формуле первым, хотя есть несколько исключений. Исключение 1 : Углерод всегда стоит первым в формуле. Исключение 2: Когда водород участвует в ковалентной связи, его обычно записывают во втором положении (например: водород стоит после азота в такой формуле, как NH 3 ). В целом, порядок обычных неметаллов в бинарной молекулярной соединения C, P, N, H, S, I, Br, Cl, O,
  2. При наименовании первого элемента используйте полное имя элемента и соответствующий префикс, если в формуле присутствует более одного атома этого элемента.Если для первого элемента имеется только один атом, термин моно- НЕ используется, но подразумевается. Например, CO — это угарный газ, а не угарный газ.
  3. Для второго элемента окончание имени элемента обычно изменяется на ‘ -ide’ , а соответствующий префикс всегда используется для второго элемента .

Примечание: a или o в конце префикса обычно опускается из имени, когда имя элемента начинается с гласной.Например, четыре атома кислорода представляют собой тетроксид вместо тетраоксида. Некоторые примеры молекулярных соединений перечислены в таблице 4.3.

Таблица 4.3 Примеры наименования ковалентных молекул

Обратите внимание, что префикс моно- не используется с азотом в первом соединении, но используется с кислородом в обоих первых двух примерах. В S 2 Cl 2 подчеркивается, что формулы молекулярных соединений не сокращаются до их наименьших соотношений. или из моно- и a из гепта- исключаются из названия в сочетании с оксидом. Например:


4.6 Краткое содержание главы

Атомы могут иметь общие пары валентных электронов, чтобы получить октет валентной оболочки. Это совместное использование электронов представляет собой ковалентную связь . Вид, образованный ковалентно связанными атомами, представляет собой молекулу и представлен молекулярной формулой , которая дает количество атомов каждого типа в молекуле.Два общих электрона в ковалентной связи называются связывающей парой электронов . Электроны, не участвующие в ковалентных связях, называются несвязывающими парами (или неподеленными парами ) электронов . Ковалентная связь, состоящая из одной пары общих электронов, называется одинарной связью .

Ковалентные связи возникают между атомами неметаллов. Названия простых ковалентных соединений следуют простым правилам, аналогичным правилам для ионных соединений.Однако для ковалентных соединений числовые префиксы используются по мере необходимости для указания количества атомов каждого элемента в соединении.

В некоторых случаях более одной пары электронов являются общими, чтобы удовлетворить правилу октетов. Две пары электронов являются общими для двух атомов, образуя двойную связь . Три пары общих атомов образуют тройную связь . Одинарные, двойные и тройные ковалентные связи могут быть представлены одной, двумя или тремя черточками соответственно между символами атомов.В случае -координатной ковалентной связи один атом поставляет оба электрона, а другой атом не поставляет ни одного из электронов.

Чтобы судить об относительной полярности ковалентной связи, химики используют электроотрицательность , которая является относительной мерой того, насколько сильно атом притягивает электроны, когда он образует ковалентную связь. Чем больше разница электроотрицательностей между атомами, участвующими в ковалентной связи, тем большую полярность проявляет связь.

По сравнению с ионными соединениями ковалентные молекулы обычно имеют более низкие температуры плавления и кипения, менее растворимы в воде и являются плохими проводниками электричества. Эти основные различия в значительной степени связаны с повышенной полярностью ионных связей по сравнению с ковалентными связями.


4.7 Каталожные номера

Материалы главы 4 были адаптированы из следующих ресурсов Creative Commons, если не указано иное:

1. Портал органической химии.ВикиУниверситет. Доступно по адресу: https://en.wikiversity.org/wiki/Portal:Organic_chemistry

.

2. Аноним. (2012) Введение в химию: общая, органическая и биологическая (V1.0). Опубликовано Creative Commons by-nc-sa 3.0. Доступно по адресу: http://2012books.lardbucket.org/books/introduction-to-chemistry-general-organic-and-biological/index.html

.

3. Поулсен Т. (2010) Введение в химию. Опубликовано Creative Commons by-nc-sa 3.0. Доступно по адресу: http://openedgroup.org/books/Chemistry.pdf

4. Молекулы и молекулярные соединения. (2017) Либретексты. Доступно по адресу: https://chem.libretexts.org/Textbook_Maps/General_Chemistry_Textbook_Maps/Map%3A_Chemistry%3A_The_Central_Science_(Brown_et_al.)/02._Atoms,_Molecules,_and_Ions/2.6%3A_Molecules_and_Molecular_Compounds

5. Кларк Дж. (2017) «Общие принципы химического связывания», опубликованные Libretexts. Доступно по адресу: https://chem.libretexts.org/Core/Physical_and_Theoretical_Chemistry/Chemical_Bonding/General_Principles_of_Chemical_Bonding/Coordinate_(Dative_Covalent)_Bonding

6.OpenStax (2015) Атомы, изотопы, ионы и молекулы: строительные блоки. OpenStax CNX. Доступно по адресу:  http://cnx.org/contents/[email protected]

7. Википедия, Ионное соединение. Доступно по адресу: https://en.wikipedia.org/wiki/Ionic_compound

.

8. Физическая и теоретическая химия (2017) Либретексты. Доступно по адресу: https://chem.libretexts.org/Core/Physical_and_Theoretical_Chemistry/Chemical_Bonding/General_Principles_of_Chemical_Bonding/Covalent_Bonds_vs_Ionic_Bonds.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.