Химическое соединение

Для химического соединения характерны следующие отличительные особенности:

1) Кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение.

2) В соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение его компонентов. Это позволяет выразить их состав простой формулой A m B n , где А и В – соответствующие элементы, n и m – простые числа.

3) Свойства соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов.

4) Температура плавления (диссоциации) постоянная.

5) Образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.

Химические соединения образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток.

В качестве примера типичных химических соединений можно назвать такие, как соединения магния с элементами IV-VI групп периодической системы: Mg 2 Sn, Mg 2 Pb, Mg 2 P, Mg 3 Sb, MgS и другие.

Соединения одних металлов с другими носят общее название интерметаллических соединений, или интерметаллидов.

Соединения металла с неметаллом (нитриды, оксиды, карбиды и др.) могут иметь как металлическую, так и ионную связь. Соединения, имеющие металлическую связь, называют металлическими соединениями.

Большое число химических соединений, образующихся в металлических сплавах, отличается от типичных химических соединений, так как не подчиняется законам валентности и не имеет постоянного состава. Рассмотрим наиболее важные химические соединения, образующиеся в сплавах.

7.2.1.Фазы внедрения . Переходные металлы (Fe, Mn, Cr, Mo и др.) образуют с углеродом, азотом, бором и водородом, т.е. с элементами, имеющими малый атомный радиус, соединения: карбиды, нитриды, бориды и гидриды. Они имеют общность строения и свойств и часто называются фазами внедрения.

Фазы внедрения имеют формулу М 4 Х (Fe 4 N, Mn 4 N и др.), M 2 X (W 2 C, Fe 2 N и др.), MX (WC, TiC,TiN и др.).

Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов неметалла (R x) и металла (R M). Если R x / R M <59, то атомы в этих фазах расположены по типу одной из кристаллических решеток: кубической или гексагональной, в которую внедряются атомы неметалла, занимая в ней определенные поры.

Фазы внедрения являются фазами переменного состава. Карбиды и Нитриды обладают высокой твердостью. Кристаллическая решетка фаз внедрения отличается от решетки металла.

7.2.2. Электронные соединения (фазы Юм-Розери). Эти соединения чаще образуются между одновалентными (Cu, Ag, Au, Li, Na) металлами или металлами переходных групп (Fe, Mn, Co и др.), с одной стороны, и с простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be,

Mg, Zn, Cd, Al и др.), с другой стороны. Соединения этого типа имеют определенное соотношение числа валентных электронов к числу атомов, т.е. определенную электронную концентрацию. Эти соотношения, как показал английский металлофизик Юм-Розери, могут быть 3/2, 21/13 и 7/4, причем каждому соотношению соответствует определенная кристаллическая решетка: объемно центрированная кубическая или гексагональная решетка, сложная кубическая решетка и гранецентрированная кубическая решетка, соответственно.

7.2.3.Фазы Лавеса . Эти фазы имеют формулу АВ 2 и образуются между элементами, атомные диаметры которых находятся примерно в соотношении 1: 1,2. Например, MgZn 2 , TiCr 2 и др. Фазы Лавеса встречаются как упрочняющие интерметаллиды в жаропрочных сплавах.

Твердые растворы

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры. Таким образом, твердый раствор, состоящий из нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу. Кроме того, твердый раствор существует не при определенном соотношении компонентов (как в химическом соединении), а в интервале концентраций.

Различают твердые растворы .

При образовании твердых растворов замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке (рис.26, б ).

При образовании твердого раствора внедрения (рис.26, в ) атомы растворенного компонента располагаются в межузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя.

Рис.26. Кристаллическая решетка ОЦК: а - чистый металл, б - твердый раствор замещения, в - твердый раствор внедрения; А - атомы основного металла, В – атомы замещения, С – атомы внедрения.

Металлы могут в той или иной степени взаимно растворяться друг в друге в твердом состоянии, образуя твердые растворы замещения с ограниченной или неограниченной растворимостью. Твердые растворы с неограниченной растворимостью образуются при следующих условиях:

1) Компоненты должны обладать одинаковыми по типу (изоморфными) кристаллическими решетками.

2) Различие в атомных размерах компонентов должно быть незначительным и не превышать 10-15%.

3) Компоненты должны принадлежать к одной и той же (или родственной) группе периодической системы элементов.

В некоторых сплавах (например, Cu-Au, Fe-Al), образующих при высоких температурах растворы замещения (с неупорядоченным чередованием атомов компонентов), при медленном охлаждении или длительном нагреве при определенных температурах протекает процесс перераспределения атомов. Твердые растворы, устойчивые при сравнительно низких температурах, получили название упорядоченных твердых растворов, или сверхструктур . Упорядоченные твердые растворы можно рассматривать как промежуточные фазы между твердыми растворами и химическими соединениями. В отличие от химических соединений кристаллическая решетка упорядоченных твердых растворов представляет собой решетку растворителя. Образование упорядоченных твердых растворов сопровождается изменением физических и механических свойств. Прочность обычно возрастает, а пластичность падает.

Способность к образованию твердых растворов присуща не только чистым элементам, но и химическим соединениям. В этих случаях сохраняется кристаллическая решетка химического соединения, но избыточное количество атомов одного из компонентов может заменять какое-то количество атомов другого компонента. Кроме того, при этом в отдельных узлах могут появляться незанятые места – пустоты. Твердые растворы на базе химических соединений, образование которых сопровождается появлением пустых мест в узлах решетки, называются растворами вычитания.

РЕЗЮМЕ

Под сплавом подразумевают вещество, полученное сплавлением двух или более элементов.

Совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия, называют системой . Фазой называют однородные составные части системы, имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение и свойства, одно и то же агрегатное состояние и отделенные от составных частей поверхности раздела. Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения фаз в металлах и сплавах. Компоненты в сплаве могут образовывать механические смеси, химические соединения или твердые растворы.

Механическая смесь двух компонентов образуется тогда, когда они не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.

Химические соединения образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток. Строение и свойства химического соединения отличаются от строения и свойств создавших его компонентов.

Наиболее важные химические соединения, образующиеся в сплавах:

Фазы внедрения

Электронные соединения (фазы Юм-Розери)

Фазы Лавеса

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры.

Различают твердые растворы замещения, внедрения и вычитания .

Вопросы для повторения

1. Что такое сплав?

2. Дать определение терминам «фаза», «система», «структура».

3. Когда в сплаве образуется механическая смесь компонентов, а когда - химическое соединение?

4. Что такое твердые растворы? Какие виды твердых растворов Вы знаете?

8. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния сплава. Диаграммы состояния строят для условий равновесия или условий, достаточно близких к ним. Поэтому диаграмма состояния может также называться диаграммой равновесия.

Равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии. Этого состояния можно достичь при отсутствии перегрева или переохлаждения сплава. Диаграмма состояния представляет собой теоретический случай, т.к. равновесные превращения (без переохлаждения или перегрева) на практике не могут совершать-

ся. Обычно на практике используются превращения, происходящие при малых скоростях нагрева или охлаждения.

Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз могут быть выражены в математической форме в виде правила фаз или закона Гиббса.

Правило фаз дает количественную зависимость между степенью свободы системы и количеством фаз компонентов.

Под числом степеней свободы (вариантностью) системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, давление, концентрация), которое можно изменять без изменения числа фаз в системе.

Правило фаз .

С= k - f + 2

С - число степеней свободы, k - число компонентов, f – число фаз, 2 – число внешних факторов.

Правило фаз справедливо только для равновесного состояния.

Независимыми переменными в уравнении правила фаз являются концентрация, температура и давление. Если принять, что все превращения в металле происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится на единицу.

С= k - f + 1

Пример. Посмотрим, как изменяется степень свободы однокомпонентной системы (k=1 ) для случая кристаллизации чистого металла. Когда металл находится в жидком состоянии, т.е. f =1 (одна фаза - жидкость), число степеней свободы равно 1. Температура в данном случае может изменяться, не изменяя агрегатного состояния. В момент кристаллизации f =2 (две фазы – твердая и жидкая), С=0 . Это значит, что две фазы находятся в равновесии при строго определенной температуре (температура плавления), и она не может быть изменена до тех пор, пока одна фаза не исчезнет, т.е. система не станет моновариантной (C=1 ).

Химические соединения – сложные вещества, состоящие из химически связанных атомов двух или нескольких химических элементов. Термин «соединение» означает: разные части так связаны друг с другом, что возникло новое вещество, с другими свойствами, чем у исходных веществ. В химическом соединении связи таковы, что уже нельзя различить свойства отдельных компонентов.
Так, например, нельзя обнаружить свойства серы или меди в CuSO 4 .

Химические реакции - динамические процессы, вызванные электрическим притяжением между участками молекул реагирующих веществ имеющих разный знак заряда, связанные либо с изменением строения электронных оболочек, либо с их трансформацией в новую электронную оболочку продукта реакции.

Все химические и большинство физических свойств веществ зависят от строения электронных оболочек , составляющих их атомов, а химическое соединение тем и отличается от физической смеси, что в нём часть электронов обобществлена; они образуют химические связи между атомами. Поэтому важным свойством химических соединений, отличающим их от механических смесей, является однородность. Состав химического соединения записывают в виде химических формул, а взаимное расположение атомов изображают при помощи структурных формул.

Химические соединения образуются либо при взаимодействии простых веществ, либо в результате химических реакций других соединений. Образование химических соединений всегда сопровождается выделением или поглощением энергии. Не обязательно теплоты – так, в аккумуляторах и гальванических элементах (старых батарейках) образование химических соединений сопровождается возникновением электродвижущей силы, а в ракетном двигателе большая часть энергии, выделяющейся при образовании химических соединений топлива с окислителем, превращается в механическую энергию движения ракеты.

Почему же, при образовании химических соединений происходит поглощение или выделение энергии? Общая теория взаимодействий описывает процесс образования химических соединений, как результат электрического взаимодействия атомов или молекул. Атомы и молекулы представляют собой совокупность изменяющихся пространственно направленных электрических сил. Для примера на рисунке показаны атом водорода и молекула воды.

Синим на рисунках обозначен отрицательный заряд электрона, красным положительный заряд ядра.

При образовании химического соединения, происходящего в результате процесса электрического притяжения разно заряженных зон атома или молекулы, происходят изменения в расположении электронов относительно ядер атомов . Чем больше степень изменения электронной оболочки, произошедшая в результате реакции тем больше величина энергии, необходимой для того, чтобы реакция произошла, или выделяющейся в результате такой реакции.

Если расположение электронов в продуктах реакции является менее энергетическим, по сравнению с исходными продуктами, то есть электроны располагаются ближе к ядру или более правильно (симметрично), то энергия выделяется (чаще всего в виде теплоты). В противном случае энергия электронов должна возрасти, то есть для проведения реакции образования химического соединения необходимо затратить энергию.

Так как практически никогда суммарная энергия электронов в результате реакции не остаётся прежней, то и процессы образования химических соединений сопровождаются выделением или поглощением энергии.

Химические реакции

Химические реакции - процессы образования веществ и химических соединений протекающие с изменением электронных оболочек.

В переводе с латыни «реакция» означает «противодействие, отпор, ответное действие». Следовательно термин химическая реакция можно понимать как ответное действие вещества на воздействие извне других веществ и физических факторов – тепла, давления, излучения… Но под такое определение подпадают и физические процессы: плавление, кипение, замерзание и другие. Поэтому следует уточнить, что химическая реакция – это такое изменение вещества, при котором разрываются старые и образуются новые связи между атомами. Подробности о химической связи .

Что значит изучать химическую реакцию?

Изучать химическую реакцию - значит искать ответы на вопросы: почему она происходит, каков её механизм, от чего и как зависят её скорость и степень превращения исходных веществ в продукты, какие катализаторы способны её ускорить и какие ингибиторы – замедлить?

«Движущая сила» реакции зависит не только от природы реагентов и образующихся веществ (их состава, строения), но и от концентрации веществ, температуры, давления, влияния растворителей, соединений, способных образовывать комплексы с реагентами и продуктами.

Для записи химических реакций используют уравнения, молекулы реагирующих веществ и продуктов изображают с помощью химических формул. Чтобы написать уравнение химической реакции, нужно знать точные химические формулы всех реагирующих веществ и продуктов реакции. Числовые коэффициенты для каждой формулы подбираются так, чтобы число атомов всех элементов в левой части уравнения было равно числу атомов этих же элементов в правой части. По уравнениям химических реакций можно рассчитать массы реагирующих веществ и продуктов реакции.

Попробуем рассмотреть приведённые выше вопросы, касающиеся изучения химической реакции с точки зрения общей теории взаимодействий .

1. Почему происходит химическая реакция?

Реакция может произойти только в том случае, когда величина силы электрического притяжения различных зон реагирующих атомов превосходит силу электрического отталкивания. Мы уже знаем, что любой атом или молекулу можно представить в виде определённой совокупности векторов электрической напряжённости. Проще говоря, какая-то часть поверхности реагирующего атома или молекулы имеет положительный заряд, а остальная часть поверхности отрицательный. Примеры в предыдущей главе и ниже. Так вот, если сила притяжения между разно заряженными областями поверхности атома или молекулы превосходит силу отталкивания , то реакция происходит. Мы можем влиять на величину взаимодействия, изменяя температуру, давление или другие параметры.

2. Каков механизм химической реакции?

В принципе мы уже ответили на этот вопрос. Стоит лишь уточнить, что зная пространственное расположение областей положительного и отрицательного заряда на поверхности реагентов, мы можем выбирать наименее энергозатратный механизм осуществления химической реакции .

3. От чего и как зависят скорость химической реакции и степень превращения исходных веществ в продукты?

Ответ на этот вопрос можно дать, используя информацию приведённую выше. Если большая часть поверхности реагентов имеет разные электрические заряды, то для начала реакции не требуется энергетических затрат, необходимо лишь заставить вещества соприкасаться и реакция начнётся. Течение реакции и её скорость будут зависеть от получаемых продуктов и выделяющейся в результате энергии.

То есть, в конечном итоге, скорость химической реакции зависит от силы электрического притяжения разно заряженных областей взаимодействующих атомов.

В том случае, когда продукты не мешают протеканию дальнейшей реакции, процесс продолжается до полного использования исходных реагентов.
Если же в результате реакции происходит выделение энергии, и эта энергия способствует ускорению течения реакции, то процесс проходит бурно, часто со взрывом.
Когда продукты реакции остаются в зоне происходящих химических процессов, они могут тормозить (вмешиваясь своими электрическими полями) дальнейший ход реакции, а при определённых условиях происходит обратная реакция распада продуктов на исходные реагенты.

4. Влияние катализаторов и ингибиторов

также рассчитывается исходя из распределения на поверхности их атомов или молекул электрического заряда. Здесь обязательно следует отметить, что в случае с катализаторами и ингибиторами особую роль приобретает форма распределения электрического заряда на их поверхности. Так как в противном случае такие вещества могут стать реагентами и нарушить необходимое течение химических процессов.

Классификация химических реакций

1. Химические реакции различаются по числу и составу реагирующих веществ :
а) реакции, идущие без изменения состава взаимодействующих веществ: в неорганической химии примерами таких химических реакций являются процессы изменения аллотропных модификаций одного и того же химического элемента (графит переходит в алмаз, кислород в озон);
в органической химии примерами будут реакции изомеризации алканов, алкенов, алкинов и другие, идущие без изменения не только качественного, но и количественного состава реагентов.

б) химические реакции протекающие с изменением состава веществ : реакции соединения, замещения, обмена и разложения.

2. Реакции можно классифицировать по изменению степеней окисления химических элементов взаимодействующих в химической реакции:
а) окислительно-восстановительные химические реакции идут с изменением степени окисления;
б) реакции без изменения степени окисления реагентов.

3. Химические реакции делятся и по тепловому эффекту , возникающему в результате взаимодействий атомов или молекул:
а) экзотермические - с выделением тепла (или энергии);
б) эндотермические - с поглощением энергии.

Подробнее об этом. Если в результате реакции образовались вещества электронные оболочки которых обладают меньшей совокупной энергией, чем та которой они обладали до начала реакции, то тепло выделяется (или увеличивается объём). Сама совокупная энергия электронной оболочки зависит, как от расстояния между электронами и ядрами, так и от правильности электронной оболочки. И если образующаяся электронная оболочка не совсем правильна химическая реакция продолжается, и мы имеем химическую реакцию, протекающую в несколько стадий. Именно к таким реакциям относятся реакции с участием катализаторов.

4. По участию в процессе взаимодействия катализатора , химические реакции делятся на каталитические и не каталитические (более 70% всех реакций относятся к каталитическим).
Почему катализаторы ускоряют химическую реакцию? Потому, что они на некоторое время "дают в пользование" реагирующим веществам необходимые электроны, или, что бывает значительно чаще, они на время забирают лишние электроны у реагентов, тем самым увеличивая зону положительного заряда на одном из атомов. А это, как мы описали выше, приводит к увеличению скорости химической реакции.

5. По присутствию в реакции веществ , находящихся в разных агрегатных состояниях химические реакции подразделяют на гетерогенные (реагенты и продукты находятся в различных агрегатных состояниях) и гомогенные (все реагенты и продукты присутствуют в одной фазе).

6. По направлению течения, химические реакции могут быть обратимыми (идущими в обоих направлениях) или необратимыми.

7. Есть также классификация химических реакций по виду энергии инициирующей реакцию : фотохимические, радиационные, термохимические и электрохимические.