化合物

化合物

化合物由兩種或兩種以上的元素組成的純淨物(區別於單質)。化合物具有一定的特性,既不同於它所含的元素或離子,亦不同於其他化合物,通常還具有一定的組成。

簡介

11化合物

化合物(compound)是指從化學反應之中所產生,由兩種或兩種以上元素構成的純淨物(區別於單質)。化合物是純物質分類下的一類,與元素和混合物相對。儘管有些情況下化合物的實際情況會與上述定義背離,如組成元素隨製備方法而改變,內部結構並不均一,不同核素的分布並不固定等等,但一般仍認為它們屬於化合物的範疇。另外,化合物中各元素的摩爾比並不一定是整數,某一元素也可呈不同的價態,例如非整比化合物混合價態化合物。

例如:氯化鈉(NaCl)是一種通過鹽酸(HCl)和氫氧化鈉(NaOH)的化學作用(中和反應)而成的物質。

特徵

化合物具有一定的特性,通常還具有一定的組成

化合物與混合物的主要區別

(1)化合物組成元素不再保持單質狀態時的性質;混合物沒有固定的性質,各物質保持其原有性質(如沒有固定的熔、沸點)。
(2)化合物組成元素必須用化學方法才可分離;
(3)化合物組成通常恆定。混合物由不同種物質混合而成,沒有一定的組成,不能用一種化學式表示。

元素、單質、化合物的主要區別

由同種元素組成的純淨物叫做單質,由不同種元素組成的純淨物叫做化合物。無論是在單質還是化合物中,只要是具有相同核電荷數的一類原子,都可以稱為某元素。
三者的主要區別是:元素是組成物質的成分,而單質和化合物是指元素的兩種存在形式,是具體的物質。元素可以組成單質和化合物,而單質不能組成化合物。

非等比化合物

在通常人們的印象當中,化合物都是由幾種固定的按簡單數學配比的元素所組成,然而更多的化合物卻是非等比化合物,尤其是無機化合物。所謂非等比化合物,就是組成是非計量比或非整比的化合物,即這些化合物的組成原子間不為小整數比,且組成可在一定範圍內變化,不符合定組成定律。
最新的研究表明,該類化合物大致包括以下幾類:
(1)由兩種或多種金屬共熔形成的合金體系。由於各類合金可能存在多種相平衡點,因而形成了多種組成可變的合金化合物。如鋼由Fe與C組成的二元體系中,由於組成的不同可形成奧氏體、萊氏體、馬氏體和珠光體等不同的相。
(2)在岩鹽體系中,晶格中由於生成極小部分缺陷而呈現特殊顏色的化合物,如下鈉蒸氣中加熱氯化鈉形成Na+δCl(δ<<1),是一種淺綠色化合物。
(3)許多過渡金屬的氧化物、硫化物、氮化物、碳化物或氫化物,這些具有豐富的物理和化學性質的化合物一般都是非等比化合物。
化合物種類繁多,達一千多萬種,有的化合物由陰陽離子構成,如氯化鈉NaCl、硫酸銨(NH4)2SO4等;有的化合物由分子構成,如氨氣NH3、甲烷CH4、五氧化二磷P2O5、二硫化碳CS2等;有的化合物由原子構成,如二氧化矽SiO2、碳化矽SiC等。化合物可以分為無機化合物(不含碳的化合物)和有機化合物(含碳的化合物,除CO、CO2、H2CO3和碳酸鹽等)兩大類。按化學性質的不同,可以把化合物分為氧化物、酸類、鹼類和鹽類。

化學鍵

共價鍵:共價鍵為二個原子藉由未填滿、自鏇方向相反之二原子,彼此共用結合所成之鍵結形式,例如溴化氫、氯化鋁。

離子鍵:當共價鍵鍵結形成之分子,原子間若電負性差在1.7以上時(電負性為原子吸引電子的能力),造成空間中電荷密度分布不均,電子會被吸引到電負性較大的原子那一方,由於吸引電子,故電負性大的原子表現出類似帶負電的特性,反之,電負性小的原子表現出類似正電荷的性質。含有離子鍵的化合物如:氧化鋁、氯化錳。綜合上述,若化合物中的原子電負性差小,則為共價鍵,若電負性差大,則為離子鍵。
金屬鍵:金屬原子大部分電負性小,故沒有將價電子保留在自己原子核周圍的能力,造成電子四處游離,當大量金屬原子聚集,大量游離的電子會在規則排列的金屬原子核間四處移動不受限制,這種大量電子游離的樣貌被稱為電子海,藉由電子海及金屬原子核彼此之間的作用力,即稱為金屬鍵。

范德華力:一般被認為是原子間互動作用的結果,但實際上並未發生化學反應,該鍵有多種型式,鍵結力量弱,其中之一為氫鍵,顧名思義,即氫原子在空間中與其他原子彼此互動作用而形成的范德華鍵。這不屬於化學鍵。

分類

高分子化合物結構圖高分子化合物結構圖
對化合物的分類,是研究化學物質分類的一個主要內容。時下通行的化合物分類方法是按化合物分子的不同來分類。
按化學性質的不同分類:
可以把化合物分為氧化物、酸類、鹼類和鹽類。
按是否含碳氫元素分類:
有機化合物:有機化合物含有碳氫化合物(或叫做烴,hydrocarbon),如甲烷(methane,CH4),分為:糖類、核酸、脂質和蛋白質。有機物是含碳元素的化合物(除CO2、CO、H2CO3以及碳酸鹽外)如CH4、C2H5OH、CH3COOH都含有碳(C)元素。
無機化合物:無機化合物不含碳氫化合物,如硫酸鉛[lead(II)sulphate,PbSO4],分為:酸、鹼、鹽和氧化物。又如如H2O、KClO3、MnO2、KMnO4、NaOH等等,都是無機物。
按化學鍵種類分類:
離子化合物:鈉是金屬元素,氯是非金屬元素。鈉和氯的單質都很容易跟別的物質發生化學反應。它們互相起化學反應時,生成化合物氯化鈉。
從鈉和氯的原子結構看,納原子的最外電子層有1個電子,容易失去,氯原子的最外電子層有7個電子,容易得到1個電子,從而使最外層都達到8個電子的穩定結構。所以當鈉跟氯反應時,氣態鈉原子的最外電子層的1個電子轉移到氣態氯原子最外電子層上去,這樣,兩個原子的最外電子層都成了8個電子的穩定結構
在這個過程中,鈉原子因失去1個電子而帶上了1個單位的正電荷;氯原子因得到1個電子而帶上了1個單位的負電荷。這種帶電的原子叫做離子。帶正電的離子叫做陽離子,如鈉離子(Na+);帶負電的離子叫做陰離子,如氯離子(Clˉ)。這兩種帶有相反電荷的離子之間相互作用,就形成化合物氯化鈉。它呈電中性。
在通常情況下,氯化鈉是固體。像氯化鈉這種由陰、陽離子相互作用而構成的化合物,就是離子化合物。如氯化鉀(KCl),氯化鎂(MgCl2),氯化鈣(CaCl2),氟化鈣(CaF2)等都是離子化合物。帶電的原子團也叫離子,如硫酸根離子,氫氧根離子(OHˉ)等。硫酸鋅(ZnSO4),碳酸鈉(Na2CO3)、氫氧化鈉(NaOH)等也是離子化合物。
共價化合物:鹽酸是氯化氫氣體的水溶液。氫氣跟氯氣化合可以生成氯化氫氣體。
氯和氫都是非金屬元素,不僅氯原子很容易獲得1個電子形成最外層8個電子的穩定結構,而且氫原子也容易獲得1個電子形成最外層2個電子的穩定結構。這兩種元素的原子獲得電子難易的程度相差不大,所以都未能把對方的電子奪取過來。兩種元素的原子相互作用的結果是雙方各以最外層1個電子組成一個電子對,這個電子對為兩個原子所共用,在兩個原子核外的空間運動,從而使雙方最外層都達到穩定結構。這種電子對,叫共用電子對。共用電子對受兩個核的共同吸引,使兩個原子形成化合物的分子。在氯化氫分子裡,由於氯原子對於電子對的吸引力比氫原子的稍強一些,所以電子對偏向氯原子一方,因此氯原子一方略顯負電性,氫原子一方略顯正電性,但作為分子整體仍呈電中性。
像氯化氫這樣以共用電子對形成分子的化合物,叫共價化合物。如水、二氧化碳等都是共價化合物。
配位化合物:由中心原子(或離子))和幾個配體分子(或離子)以配位鍵相結合而形成的複雜分子或離子,通常稱為配位單元。凡是含有配位單元的化合物都稱做配位化合物,簡稱配合物,也叫絡合物。
Ni(CO)4都是配位單元,分別稱作配陽離子、配陰離子、配分子。
[Co(NH3)6]Cl3,K3[Cr(CN)6],Ni(CO)4都是配位化合物。[Co(NH3)6][Cr(CN)6]也是配位化合物。判斷的關鍵在於是否含有配位單元。

數量

物質世界是多姿多彩的,從古代最原始的分類(金、木、水、火、土)到目前有確定組成的幾十萬種化合物,每年還有大量新的化合物被發現。

美國《化學文摘》編輯部的統計:已發現天然存在的化合物和人工合成的化合物,大約有三百多萬種。這些化合物有的是由兩種元素組成的,有的是由三種、四種以至更多的化學元素組成的。 每年依然有新合成的化合物數量達30餘萬,其中90%以上是有機化合物。

鑑定

化合物純度的鑑定方法,從快速便宜、簡便的要求出發,主要來之於以下幾點:
TLC純度的鑑定:
1展開溶劑的選擇,不只是至少需要3種不同極性展開系統展開,是首先要選擇三種分子間作用力不同的溶劑系統,如氯仿\甲醇,環己烷\乙酸乙酯,正丁醇\醋酸\水,分別展開來確定組分是否為單一斑點。這樣做的好處是很明顯的,通過組份間的各種差別將組分分開,有可能幾個相似組份在一種溶劑系統中是單一斑點,因為該溶劑系統與這幾個組分的分子間力作用無顯著的差別,不足以在TLC區分。而換了分子間作用力不同的另一溶劑系統,就有可能分開。這是用3種不同極性展開系統展開所不能達到的。
2對於一種溶劑系統正如wxw0825所言,至少需要3種不同極性展開系統展開,其一種極性的展開系統將目標組分的Rf推至0.5,另兩極性的展開系統將目標組分的Rf推至0.8,0.2。作用是檢查有沒有極性比目標組分更大或更小的雜質
3顯色方法,光展開是不夠的,還要用各種顯色方法。一般一定要使用通用型顯色劑,如10%硫酸,碘,因為每種顯色劑(不論是通用型顯色劑,還是專屬顯色劑在工作中都遇到他們都有一化合物不顯色的時候),再根據組分可能含有混雜組份的情況,選用專屬顯色劑。只有在多個顯色劑下均為單一斑點,這時才能下結論樣品為薄層純
熔程判斷純度:
原理很簡單,純化合物,熔程很短,1,2度。混合物熔點下降,熔程變長。
HPLC的純度鑑定:
對於HPLC因為常用的系統較少,加之其分離效果好,一般不要求選擇三種分子間作用力不同的溶劑系統,只要求選這三種不同極性的溶劑系統,使目標峰在不同的保留時間出峰。
軟電離質譜的純度鑑定:
如ESI-MS,APCI-MS。大極性化合物選用ESI-MS,極性很小的化合物選用APCI-MS,這些軟電離質譜的特點是只給出化合物的準分子離子峰,通過正負離子的相互溝通來確定分子量。如果樣品不純,就會檢出多對準分子離子峰,不但確定了純度,還能明確混雜物的分子量。
核磁共振的純度鑑定:
從氫譜中如果發現有很多積分不到一的小峰,就有可能是樣品是樣品中的雜質。利用門控去偶的技術通過對碳譜的定量也能實現純度鑑定。
每種方法多有各自的局限性,如基於氫譜的純度鑑定,如果發現有很多積分不到一的小峰,還有可能使樣品中的活潑質子,基於軟電離質譜的純度鑑定,如果混雜物的分子量與目標物一樣就無法檢出。
對化合物純度,世界上不存在100%純的化合物。希望要多高的純度應該與目的有關,例如,想測核磁共振鑑定結構,一般要求95%的純度,如果想測EI-MS,純度越高越好。99%以上。
以上的方法都不能區分對應異構體

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