Химический синтез. Понятие о соединении

Соединение элементов, которое по своим свойствам отличается от исходных простейших веществ называется синтезом. Синтез осуществляется только в результате химической реакции,при которой появляется более сложное вещество с новыми свойствами и строением, отличными от свойств и строения исходных веществ.

Полученные материалы в результате синтеза называют синтетическими материалами. Химический синтез можно упрощенно выразить уравнением А + В = С, где А и В - исходные вещества, а С - синтезированное вещество.

Простое перемешивание исходных материалов без их химического соединения называют смесью. Смеси состоят из нескольких веществ, каждое из которых сохраняет свои индивидуальные свойства и может быть выделено в чистом виде. При смешивании веществ речь идет о физическом процессе.

Взаимодействие между атомами и молекулами.

Положительно заряженные ядра атомов удерживают, как выражаются, в потенциальной яме отрицательно заряженные электроны, которые образуют квантово-механическую структуру с характерными для нее квантовыми числами. Чем больше эти числа, тем менее электроны связаны с ядром атома. Именно эти электроны являются первыми кандидатами на осуществление химических связей между атомами, молекулами, кристаллами и любыми другими химическими объектами.

Основными агентами химических взаимодействий являются электроны атома, обладающие наибольшей энергией. Электроны участвуют в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействиях. В случае химических связей последние формируются в основном электромагнитными взаимодействиями.

Всякая химическая связь есть некоторая разновидность электромагнитных взаимодействий. В этой связи решающее значение приобретает положение электронов относительно ядер атомов.

Для ковалентнойхимической связи характерно, что электроны принадлежат всем ядрам атомов. Влияние ядер атомов на электроны таково, что оно позволило эти электроны обобщить. Если ковалентная связь образуется одинаковыми ядрами атомов, ковалентные электроны принадлежат им в равной степени. Такое положение дел имеет место в любой двухатомной молекуле - одинаковыми ядрами (Н₂, F₂, Cl₂ и т.д.). В этом случае ковалентная связь неполярна. Но атомы ядер часто обладают различными электромагнитными характеристиками, что приводит к образованию полярной ковалентной связи.

В случае если совершается полный перенос электрона с одного атома на другой, говорят уже не о ковалентной, а об ионной связи. Последняя характерна, например, для хлорида натрия Na⁺Cl^-. Сравним: НCl и Na⁺Cl^- . Во втором случае притяжение электрона к ядру атома хлора столь велико, что он покидает ядро атома натрия. Положительные и отрицательные ионы связаны между собой в основном за счет электростатических сил притяжения.

Активнейшими агентами химических реакций, происходящих в электролитах, являются положительные (катионы) и отрицательные (анионы) ионы. Молекулы распадаются на ионы под действием молекул растворителя.

В газах преобладает ковалентная связь, в жидкостях - ковалентная и ионная, в твердых телах - ковалентная, ионная и металлическая.

Переходим к рассмотрению типов межмолекулярных взаимодействий.

Ван-дер-ваальсовы силы, впервые рассмотренные голландским ученым И. Ван-дер-Ваальсом, действуют между электрически нейтральными молекулами, а также атомами.

Таблица 1.Основные типы химических взаимодействий и связей

В любой нейтральной молекуле возникают флуктуации электрического поля. Молекула выступает при этом как совокупность мгновенных диполей, которые индуцируют диполи у соседних молекул. Этот процесс характерен как для неполярных, так и для полярных молекул. Молекулы последнего типа к тому же изначально являются диполями, которые превращают своих полярных соседей в индуцированные диполи. Ван-дер-ваальсовы силы - это по преимуществу силы притяжения между электрическими диполями (рис.).

При сильном сближении молекул из-за взаимодействия электронов, заполняющих оболочки, возникают силы отталкивания.

При образовании комплексных молекулярных соединений большое значение имеет особая разновидность донорно-акцепторного взаимодействия, которое приводит к образованию ковалентной связи: пара неподелённых электронов одной молекулы становится общей для молекулярного комплекса. Так, при взаимодействии молекул аммиака (NH₃) и трифторида бора (BF₃) NH₃ + BF₃.= NH₃BF₃ атом азота отдает на общую связь пару электронов, которые принимаются (акцептируются) атомом бора, имеющим вакантную для этой пары электронов орбиталь.

В межмолекулярных взаимодействиях важнейшее значение имеет водородная связь,которая образуется вследствие взаимодействия положительно поляризованного водорода молекулы А-Н с электроотрицательным атомом В в составе молекулы В-R:

А-Н + В-R → А-Н•••В-R,

где ••• обозначает водородную связь. Положительно поляризованный атом водорода способен глубоко внедрятся в электронную оболочку соседнего отрицательно поляризованного атома. Это обстоятельство объясняет широкую распространенность в природе водородных связей, в том числе в веществах, ответственных за феномен жизни (спирали нуклеиновых кислот, белки). Итак, все химические связи образуются в результате осуществления определенных электромагнитных взаимодействий (см. табл. 1).

Как свидетельствует многовековой путь развития химии, все вещества, одни в большей, другие в меньшей степени, обладают способностью участвовать в химических взаимодействиях. Иначе говоря, все вещества обладают способностью участвовать в химических реакциях, т.е. им присуща реакционная способность. В переводе с латинского реакция есть ответное действие. Реакционная способность данного вещества не есть нечто абсолютное, она относительна, ибо зависит от того контрагента, с которым вещество вступает в химическое взаимодействие. Подробнее реакционная способность веществ будет рассмотрена позже.

Химия - это наука о химических взаимодействиях, т.е. химических реакциях и способах их осуществления. В этой связи важнейшее значение имеет регуляция реакционной способности веществ, в том числе посредством использования ингибиторов и катализаторов(биологические катализаторы называются ферментами).Ингибиторы замедляют, а катализаторы ускоряют ход химических реакций.