1.5: Стани склеювання елементів

Last updated
Save as PDF

Page ID: 20275

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Органічні сполуки - це молекулярні сполуки, які містять переважно атоми вуглецю і водню. Оскільки неорганічна хімія має справу з усіма сполуками, крім органічних, сфера застосування неорганічної хімії величезна. Отже, ми маємо вивчити синтези, структури, зв'язки, реакції та фізичні властивості елементів, молекулярних сполук і твердотільних сполук 103 елементів. В останні роки структури кристалічних сполук визначалися порівняно легко за допомогою монокристалічного рентгенівського структурного аналізу, а також за допомогою автоматичних дифрактометрів. Цей прогрес призвів до стрімкого розвитку нових областей неорганічної хімії, які раніше були недоступними. Дослідження вищих розмірних сполук, таких як багатоядерні комплекси, кластерні сполуки та твердотільні неорганічні сполуки, в яких багато атомів металів та лігандів пов'язані складним чином, стають набагато простішими. У цьому розділі будуть обстежені області досліджень в неорганічній хімії на основі класифікації режимів зв'язку неорганічних матеріалів.

Елемент

Елементарні речовини існують в різних формах. Наприклад, гелій та інші рідкісні газові елементи існують у вигляді одноатомних молекул; водень, кисень та азот як молекули двох атомів; вуглець, фосфор та сірка як кілька твердих алотропів; і натрій, золото тощо як сипучі метали. Просту речовину металевого елемента зазвичай називають об'ємним металом, а слово «метал» може використовуватися для позначення об'ємного металу, а «атом металу або іон металу» визначають стан, коли кожна частинка дискретна. Хоча елементарні речовини здаються простими, оскільки складаються тільки з одного виду елемента, вони рідко виробляються в чистих формах в природі. Навіть після відкриття нових елементів їх ізоляція часто представляє труднощі. Наприклад, оскільки виробництво кремнію надвисокої чистоти стає дуже важливим у науці, в останні роки були розроблені процеси очищення.

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Наведіть приклади аллотропів.

Відповідь

Вуглець: графіт, алмаз.
Фосфор: білий фосфор, червоний фосфор.

молекулярні сполуки

Неорганічні сполуки неметалевих елементів, такі як газоподібний вуглекислий газ СО ₂, рідка сірчана кислота H ₂ SO ₄, або твердий п'ятиоксид фосфору P ₂ O ₅, задовольняють валентні вимоги атомів компонентів і утворюють дискретні молекули, які не скріплені між собою. Сполуки металів основної групи, такі як рідкий тетрахлорид олова SnCl ₄ і твердий трихлорид алюмінію AlCl ₃, мають певні молекулярні маси і не утворюють нескінченних полімерів.

Більшість молекулярних сполук перехідних металів - це комплекси металів і металоорганічні сполуки, в яких ліганди узгоджені з металами. До цих молекулярних сполук відносяться не тільки мононуклеарні комплекси з металевим центром, але і багатоядерні комплекси, що містять кілька металів, або кластерні комплекси, що мають зв'язки метал-метал. Кількість нових сполук з різноманітними типами склеювання та структури зростає дуже швидко, і вони є основною галуззю досліджень у сучасній неорганічній хімії (див. Розділ 6).

Твердотільні сполуки

Хоча твердотільні неорганічні сполуки є величезними молекулами, бажано визначити їх як складаються з нескінченної послідовності 1-вимірних (ланцюгових), 2-вимірних (шар) або 3-вимірних масивів елементів і як не мають певної молекулярної маси. Компонентні елементи неорганічного твердого зв'язку разом за допомогою іонних, ковалентних або металевих зв'язків, утворюючи тверду структуру. Іонний зв'язок - це один між електронно позитивними (лужні метали тощо) та негативними елементами (галогенні тощо), а між елементами з тісною електронегативністю утворюється ковалентний зв'язок. Однак у багатьох сполуках є внесок як з іонних, так і ковалентних зв'язків (див. Розділ 2.1 про зв'язки).

Вправа\(\PageIndex{3}\)

Наведіть приклади твердотільних неорганічних сполук.

Відповідь

Хлорид натрію NaCl
Діоксид кремнію, SiO ₂
Дисульфід молібдену, MoS ₂

Першим кроком ідентифікації сполуки є знання його елементарного складу. На відміну від органічної сполуки, іноді важко вирішити емпіричну формулу твердотільної неорганічної сполуки з елементних аналізів і визначити її структуру шляхом об'єднання інформації зі спектрів. Склади з подібними складами можуть мати різні координаційні номери навколо центрального елемента і різні структурні розміри. Наприклад, у випадку бінарних (що складається з двох видів елементів) йодидів металів, йодид золота, AuI, має ланцюгоподібну структуру, йодид міді, CuI, структура типу купажу цинку, йодид натрію, NaI, має структуру хлориду натрію, а йодид цезію, CSi, має структуру хлориду цезію (див. Розділ 2.2 (e)), а атоми металу пов'язані з 2, 4, 6 або 8 атомами йоду відповідно. Мінімальна одиниця повторення твердої структури називається одиничною решіткою і є найбільш фундаментальною інформацією в структурній хімії кристалів. Рентгенівська і нейтронна дифракція є найпотужнішими експериментальними методами визначення кристалічної структури, а зв'язки між атомами можуть бути з'ясовані тільки за допомогою їх використання. Поліморфізм - це явище, при якому виходять різні види кристалів твердотільної сполуки, в яких атомні розташування неоднакові. Зміни між різними поліморфними фазами з коливаннями температури та/або тиску або фазовими транс-іціями є цікавою та важливою проблемою в хімії твердого тіла або фізики.

Слід мати на увазі, що в твердотільній неорганічній хімії елементний склад сполуки не обов'язково є цілими числами. Існують великі групи сполук, звані нестехіометричними сполуками, в яких співвідношення елементів є нецілими числами, і ці нестехіометричні сполуки характерно відображають провідність, магнетизм, каталітичну природу, колір та інші унікальні твердотільні властивості. Тому навіть якщо неорганічна сполука проявляє неінтегральну стехіометрію, на відміну від органічної сполуки, з'єднання може бути термодинамічно стійким, ортодоксальним з'єднанням. Цей вид сполуки називається нестехіометричною сполукою або сполукою бертоліду, тоді як стехіометрична сполука називається сполукою дальтоніду. Закон постійного складу користувався настільки великим успіхом, що є тенденція нехтувати нестехіометричними сполуками. Слід зазначити, що не рідко зустрічаються групи з'єднань, в яких спостерігаються незначні і безперервні зміни складу елементів.

Проблема 1.1

Висловіть ізотопи водню, вуглецю та кисню, використовуючи символи елементів з атомними та масовими числами та запишіть кількість протонів, нейтронів та електронів у дужках.

Надважкі елементи

Останнім елементом в звичайній таблиці Менделєєва є актиноїдний елемент lawrencium, Lr, (Z = 103). Однак елементи (Z = 104-109) «вже синтезовані» в реакціях важких іонів за допомогою ядерних прискорювачів. Це 6d елементи, які потрапляють під 5d перехідні елементи від гафнію, Hf, до іридію, Ir, і цілком ймовірно, що їх електронні структури та хімічні властивості схожі. Власне, підтверджено лише існування нуклідів з дуже коротким життям. Біда назвати надважкі елементи полягає в тому, що країни їх першовідкривачів, США, Росія та Німеччина, запропонували різні назви. Орієнтовні назви цих елементів: уннільквадій Une (Z = 104), уннільпенцій Unp (Z = 105), уннілгексій Unh (Z = 106), уннільсептіум Unq (Z = 107), уннілоктіум Uno (Z = 108) і унніленій Une (Z = 108). Нещодавно було вирішено, що вони будуть названі: Резерфордіум ₁₀₄ Rf, Дубній ₁₀₅ дБ, Seaborgium ₁₀₆ Sg, Борій ₁₀₇ Bh, Калій ₁₀₈ Hs, і Метнерій ₁₀₉ Mt.

«Синтез» елемента (Z = 110), який повинен підходити під платину, вважався технічною межею, але є недавній звіт про те, що навіть елемент (Z = 112) «був синтезований». У будь-якому випадку надважкі елементи незабаром закінчаться. Природно, що ускладнення викликані іменуванням нового елемента вченому, щоб мати новий елемент, названий на його честь.