Классификация неорганических веществ и их номенклатура основаны на наиболее простой и постоянной во времени характеристике - химическом составе , который показывает атомы элементов, образующих данное вещество, в их числовом отношении. Если вещество из атомов одного химического элемента, т.е. является формой существования этого элемента в свободном виде, то его называют простым веществом ; если же вещество из атомов двух или большего числа элементов, то его называют сложным веществом . Все простые вещества (кроме одноатомных) и все сложные вещества принято называть химическими соединениями , так как в них атомы одного или разных элементов соединены между собой химическими связями.

Номенклатура неорганических веществ состоит из формул и названий. Химическая формула - изображение состава вещества с помощью символов химических элементов, числовых индексов и некоторых других знаков. Химическое название - изображение состава вещества с помощью слова или группы слов. Построение химических формул и названий определяется системой номенклатурных правил .

Символы и наименования химических элементов приведены в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Элементы условно делят на металлы инеметаллы . К неметаллам относят все элементы VIIIА-группы (благородные газы) и VIIА-группы (галогены), элементы VIА-группы (кроме полония), элементы азот, фосфор, мышьяк (VА-группа); углерод, кремний (IVА-группа); бор (IIIА-группа), а также водород. Остальные элементы относят к металлам.

При составлении названий веществ обычно применяют русские наименования элементов, например, дикислород, дифторид ксенона, селенат калия. По традиции для некоторых элементов в производные термины вводят корни их латинских наименований:

Например : карбонат, манганат, оксид, сульфид, силикат.

Названия простых веществ состоят из одного слова - наименования химического элемента с числовой приставкой, например:

Используются следующие числовые приставки :

Неопределенное число указывается числовой приставкой n - поли.

Для некоторых простых веществ используют также специальные названия, такие, как О 3 - озон, Р 4 - белый фосфор.

Химические формулы сложных веществ составляют из обозначения электроположительной (условных и реальных катионов) и электроотрицательной (условных и реальных анионов) составляющих, например, CuSO 4 (здесь Cu 2+ - реальный катион, SO 4 2 - - реальный анион) и PCl 3 (здесь P +III - условный катион, Cl -I - условный анион).

Названия сложных веществ составляют по химическим формулам справа налево. Они складываются из двух слов - названий электроотрицательных составляющих (в именительном падеже) и электроположительных составляющих (в родительном падеже), например:

CuSO 4 - сульфат меди(II)
PCl 3 - трихлорид фосфора
LaCl 3 - хлорид лантана(III)
СО - монооксид углерода

Число электроположительных и электроотрицательных составляющих в названиях указывают числовыми приставками, приведенными выше (универсальный способ), либо степенями окисления (если они могут быть определены по формуле) с помощью римских цифр в круглых скобках (знак плюс опускается). В ряде случаев приводят заряд ионов (для сложных по составу катионов и анионов), используя арабские цифры с соответствующим знаком.

Для распространенных многоэлементных катионов и анионов применяют следующие специальные названия:

H 2 F + - фтороний	C 2 2 - - ацетиленид
H 3 O + - оксоний	CN - - цианид
H 3 S + - сульфоний	CNO - - фульминат
NH 4 + - аммоний	HF 2 - - гидродифторид
N 2 H 5 + - гидразиний(1+)	HO 2 - - гидропероксид
N 2 H 6 + - гидразиний(2+)	HS - - гидросульфид
NH 3 OH + - гидроксиламиний	N 3 - - азид
NO + - нитрозил	NCS - - тиоционат
NO 2 + - нитроил	O 2 2 - - пероксид
O 2 + - диоксигенил	O 2 - - надпероксид
PH 4 + - фосфоний	O 3 - - озонид
VO 2 + - ванадил	OCN - - цианат
UO 2 + - уранил	OH - - гидроксид

Для небольшого числа хорошо известных веществ также используют специальные названия:

1. Кислотные и основные гидроксиды. Соли

Гидроксиды - тип сложных веществ, в состав которых входят атомы некоторого элемента Е (кроме фтора и кислорода) и гидроксогруппы ОН; общая формула гидроксидов Е(ОН) n , где n = 1÷6. Форма гидроксидов Е(ОН) n называется орто -формой; при n > 2 гидроксид может находиться также в мета -форме, включающей кроме атомов Е и групп ОН еще атомы кислорода О, например Е(ОН) 3 и ЕО(ОН), Е(ОН) 4 и Е(ОН) 6 и ЕО 2 (ОН) 2 .

Гидроксиды делят на две противоположные по химическим свойствам группы: кислотные и основные гидроксиды.

Кислотные гидроксиды содержат атомы водорода, которые могут замещаться на атомы металла при соблюдении правила стехиометрической валентности. Большинство кислотных гидроксидов находится в мета -форме, причем атомы водорода в формулах кислотных гидроксидов ставят на первое место, например H 2 SO 4 , HNO 3 и H 2 CO 3 , а не SO 2 (OH) 2 , NO 2 (OH) и CO(OH) 2 . Общая формула кислотных гидроксидов - Н х ЕО у , где электроотрицательную составляющую ЕО у х - называют кислотным остатком. Если не все атомы водорода замещены на металл, то они остаются в составе кислотного остатка.

Названия распространенных кислотных гидроксидов состоят из двух слов: собственного названия с окончанием "ая" и группового слова "кислота". Приведем формулы и собственные названия распространенных кислотных гидроксидов и их кислотных остатков (прочерк означает, что гидроксид не известен в свободном виде или в кислом водном растворе):

кислотный гидроксид	кислотный остаток
HAsO 2 - метамышьяковистая	AsO 2 - - метаарсенит
H 3 AsO 3 - ортомышьяковистая	AsO 3 3 - - ортоарсенит
H 3 AsO 4 - мышьяковая	AsO 4 3 - - арсенат
	В 4 О 7 2 - - тетраборат
	ВiО 3 - - висмутат
HBrO - бромноватистая	BrO - - гипобромит
HBrO 3 - бромноватая	BrO 3 - - бромат
H 2 CO 3 - угольная	CO 3 2 - - карбонат
HClO - хлорноватистая	ClO - - гипохлорит
HClO 2 - хлористая	ClO 2 - - хлорит
HClO 3 - хлорноватая	ClO 3 - - хлорат
HClO 4 - хлорная	ClO 4 - - перхлорат
H 2 CrO 4 - хромовая	CrO 4 2 - - хромат
	НCrO 4 - - гидрохромат
H 2 Cr 2 О 7 - дихромовая	Cr 2 O 7 2 - - дихромат
	FeO 4 2 - - феррат
HIO 3 - иодноватая	IO 3 - - иодат
HIO 4 - метаиодная	IO 4 - - метапериодат
H 5 IO 6 - ортоиодная	IO 6 5 - - ортопериодат
HMnO 4 - марганцовая	MnO 4 - - перманганат
	MnO 4 2 - - манганат
	MоO 4 2 - - молибдат
HNO 2 - азотистая	NO 2 - - нитрит
HNO 3 - азотная	NO 3 - - нитрат
HPO 3 - метафосфорная	PO 3 - - метафосфат
H 3 PO 4 - ортофосфорная	PO 4 3 - - ортофосфат
	НPO 4 2 - - гидроортофосфат
	Н 2 PO 4 - - дигидроотофосфат
H 4 P 2 O 7 - дифосфорная	P 2 O 7 4 - - дифосфат
	ReO 4 - - перренат
	SO 3 2 - - сульфит
	HSO 3 - - гидросульфит
H 2 SO 4 - серная	SO 4 2 - - сульфат
	НSO 4 - - гидросульфат
H 2 S 2 O 7 - дисерная	S 2 O 7 2 - - дисульфат
H 2 S 2 O 6 (O 2) - пероксодисерная	S 2 O 6 (O 2) 2 - - пероксодисульфат
H 2 SO 3 S - тиосерная	SO 3 S 2 - - тиосульфат
H 2 SeO 3 - селенистая	SeO 3 2 - - селенит
H 2 SeO 4 - селеновая	SeO 4 2 - - селенат
H 2 SiO 3 - метакремниевая	SiO 3 2 - - метасиликат
H 4 SiO 4 - ортокремниевая	SiO 4 4 - - ортосиликат
H 2 TeO 3 - теллуристая	TeO 3 2 - - теллурит
H 2 TeO 4 - метателлуровая	TeO 4 2 - - метателлурат
H 6 TeO 6 - ортотеллуровая	TeO 6 6 - - ортотеллурат
	VO 3 - - метаванадат
	VO 4 3 - - ортованадат
	WO 4 3 - - вольфрамат

Менее распространенные кислотные гидроксиды называют по номенклатурным правилам для комплексных соединений, например:

Названия кислотных остатков используют при построении названий солей.

Основные гидроксиды содержат гидроксид-ионы, которые могут замещаться на кислотные остатки при соблюдении правила стехиометрической валентности. Все основные гидроксиды находятся в орто -форме; их общая формула М(ОН) n , где n = 1,2 (реже 3,4) и М n + - катион металла. Примеры формул и названий основных гидроксидов:

Важнейшим химическим свойством основных и кислотных гидроксидов является их взаимодействие их между собой с образованием солей (реакция солеобразования ), например:

Ca(OH) 2 + H 2 SO 4 = CaSO 4 + 2H 2 O

Ca(OH) 2 + 2H 2 SO 4 = Ca(HSO 4) 2 + 2H 2 O

2Ca(OH) 2 + H 2 SO 4 = Ca 2 SO 4 (OH) 2 + 2H 2 O

Соли - тип сложных веществ, в состав которых входят катионы М n + и кислотные остатки*.

Соли с общей формулой М х (ЕО у ) n называют средними солями, а соли с незамещенными атомами водорода, - кислыми солями. Иногда соли содержат в своем составе также гидроксид - или(и) оксид - ионы; такие соли называют основными солями. Приведем примеры и названия солей:

	Ортофосфат кальция
	Дигидроортофосфат кальция
	Гидроортофосфат кальция
	Карбонат меди(II)
Cu 2 CO 3 (OH) 2	Дигидроксид-карбонат димеди
	Нитрат лантана(III)
	Оксид-динитрат титана

Кислые и основные соли могут быть превращены в средние соли взаимодействием с соответствующим основным и кислотным гидроксидом, например:

Ca(HSO 4) 2 + Ca(OH) = CaSO 4 + 2H 2 O

Ca 2 SO 4 (OH) 2 + H 2 SO 4 = Ca 2 SO 4 + 2H 2 O

Встречаются также соли, содерхащие два разных катиона: их часто называют двойными солями , например:

2. Кислотные и оснόвные оксиды

Оксиды Е х О у - продукты полной дегидратации гидроксидов:

Кислотным гидроксидам (H 2 SO 4 , H 2 CO 3) отвечают кислотные оксиды (SO 3 , CO 2), а основным гидроксидам (NaOH, Ca(OH) 2) - основные оксиды (Na 2 O, CaO), причем степень окисления элемента Е не изменяется при переходе от гидроксида к оксиду. Пример формул и названий оксидов:

Кислотные и основные оксиды сохраняют солеобразующие свойства соответствующих гидроксидов при взаимодействии с противоположными по свойствам гидроксидами или между собой:

N 2 O 5 + 2NaOH = 2NaNO 3 + H 2 O

3CaO + 2H 3 PO 4 = Ca 3 (PO 4) 2 + 3H 2 O

La 2 O 3 + 3SO 3 = La 2 (SO 4) 3

3. Амфотерные оксиды и гидроксиды

Амфотерность гидроксидов и оксидов - химическое свойство, заключающееся в образовании ими двух рядов солей, например, для гидроксида и оксида алюминия:

(а) 2Al(OH) 3 + 3SO 3 = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 O

Al 2 O 3 + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 O

(б) 2Al(OH) 3 + Na 2 O = 2NaAlO 2 + 3H 2 O

Al 2 O 3 + 2NaOH = 2NaAlO 2 + H 2 O

Так, гидроксид и оксид алюминия в реакциях (а) проявляют свойства основных гидроксидов и оксидов, т.е. реагируют с кислотными гидроксидам и оксидом, образуя соответствующую соль - сульфат алюминия Al 2 (SO 4) 3 , тогда как в реакциях (б) они же проявляют свойства кислотных гидроксидов и оксидов, т.е. реагируют с основными гидроксидом и оксидом, образуя соль - диоксоалюминат (III) натрия NaAlO 2 . В первом случае элемент алюминий проявляет свойство металла и входит в состав электроположительной составляющей (Al 3+), во втором - свойство неметалла и входит в состав электроотрицательной составляющей формулы соли (AlO 2 -).

Если указанные реакции протекают в водном растворе, то состав образующихся солей меняется, но присутствие алюминия в катионе и анионе остаётся:

2Al(OH) 3 + 3H 2 SO 4 = 2 (SO 4) 3

Al(OH) 3 + NaOH = Na

Здесь квадратными скобками выделены комплексные ионы 3+ - катион гексаакваалюминия(III), - - тетрагидроксоалюминат(III)-ион.

Элементы, проявляющие в соединениях металлические и неметаллические свойства, называют амфотерными, к ним относятся элементы А-групп Периодической системы - Be, Al, Ga, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Po и др., а также большинство элементов Б-групп - Cr, Mn, Fe, Zn, Cd, Au и др. Амфотерные оксиды называют так же, как и основные, например:

Амфотерные гидроксиды (если степень окисления элемента превышает + II) могут находиться в орто - или (и) мета - форме. Приведем примеры амфотерных гидроксидов:

Амфотерным оксидам не всегда соответствуют амфотерные гидроксиды, поскольку при попытке получения последних образуются гидратированные оксиды, например:

Если амфотерному элементу в соединениях отвечает несколько степеней окисления, то амфотерность соответствующих оксидов и гидроксидов (а следовательно, и амфотерность самого элемента) будет выражена по-разному. Для низких степеней окисления у гидроксидов и оксидов наблюдается преобладание основных свойств, а у самого элемента - металлических свойств, поэтому он почти всегда входит в состав катионов. Для высоких степеней окисления, напротив, у гидроксидов и оксидов наблюдается преобладание кислотных свойств, а у самого элемента - неметаллических свойств, поэтому он почти всегда входит в состав анионов. Так, у оксида и гидроксида марганца(II) доминируют основные свойства, а сам марганец входит в состав катионов типа 2+ , тогда как у оксида и гидроксида марганца(VII) доминируют кислотные свойства, а сам марганец входит в состав аниона типа MnO 4 - . Амфотерным гидроксидам с большим преобладанием кислотных свойств приписывают формулы и названия по образцу кислотных гидроксидов, например НMn VII O 4 - марганцовая кислота.

Таким образом, деление элементов на металлы и неметаллы - условное; между элементами (Na, K, Ca, Ba и др.) с чисто металлическими и элементами (F, O, N, Cl, S, C и др.) с чисто неметаллическими свойствами существует большая группа элементов с амфотерными свойствами.

4. Бинарные соединения

Обширный тип неорганических сложных веществ - бинарные соединения. К ним относятся, в первую очередь все двухэлементные соединения (кроме основных, кислотных и амфотерных оксидов), например H 2 O, KBr, H 2 S, Cs 2 (S 2), N 2 O, NH 3 , HN 3 , CaC 2 , SiH 4 . Электроположительная и электроотрицательная составляющие формул этих соединений включают отдельные атомы или связанные группы атомов одного элемента.

Многоэлементные вещества, в формулах которых одна из составляющих содержит не связанные между собой атомы нескольких элементов, а также одноэлементные или многоэлементные группы атомов (кроме гидроксидов и солей), рассматривают как бинарные соединения, например CSO, IO 2 F 3 , SBrO 2 F, CrO(O 2) 2 , PSI 3 , (CaTi)O 3 , (FeCu)S 2 , Hg(CN) 2 , (PF 3) 2 O, VCl 2 (NH 2). Так, CSO можно представить как соединение CS 2 , в котором один атом серы заменен на атом кислорода.

Названия бинарных соединений строятся по обычным номенклатурным правилам, например:

OF 2 - дифторид кислорода	K 2 O 2 - пероксид калия
HgCl 2 - хлорид ртути(II)	Na 2 S - сульфид натрия
Hg 2 Cl 2 - дихлорид диртути	Mg 3 N 2 - нитрид магния
SBr 2 O - оксид-дибромид серы	NH 4 Br - бромид аммония
N 2 O - оксид диазота	Pb(N 3) 2 - азид свинца(II)
NO 2 - диоксид азота	CaC 2 - ацетиленид кальция

Для некоторых бинарных соединений используют специальные названия, список которых был приведен ранее.

Химические свойства бинарных соединений довольно разнообразны, поэтому их часто разделяют на группы по названию анионов, т.е. отдельно рассматривают галогениды, халькогениды, нитриды, карбиды, гидриды и т. д. Среди бинарных соединений встречаются и такие, которые имеют некоторые признаки других типов неорганических веществ. Так, соединения CO, NO, NO 2 , и (Fe II Fe 2 III)O 4 , названия которых строятся с применением слова оксид, к типу оксидов (кислотных, основных, амфотерных) отнесены быть не могут. Монооксид углерода СО, монооксид азота NO и диоксид азота NO 2 не имеют соответствующих кислотных гидроксидов (хотя эти оксиды образованы неметаллами С и N), не образуют они и солей, в состав анионов которых входили бы атомы С II , N II и N IV . Двойной оксид (Fe II Fe 2 III)O 4 - оксид дижелеза(III)-железа(II) хотя и содержит в составе электроположительной составляющей атомы амфотерного элемента - железа, но в двух разных степенях окисления, вследствие чего при взаимодействии с кислотными гидроксидами образует не одну, а две разные соли.

Такие бинарные соединения, как AgF, KBr, Na 2 S, Ba(HS) 2 , NaCN, NH 4 Cl, и Pb(N 3) 2 , построены, подобно солям, из реальных катионов и анионов, поэтому их называют солеобразными бинарными соединениями (или просто солями). Их можно рассматривать как продукты замещения атомов водорода в соединениях НF, НCl, НBr, Н 2 S, НCN и НN 3 . Последние в водном растворе обладают кислотной функцией, и поэтому их растворы называют кислотами, например НF(aqua) - фтороводородная кислота, Н 2 S(aqua) - сероводородная кислота. Однако они не принадлежат к типу кислотных гидроксидов, а их производные - к солям в рамках классификации неорганических веществ.

Международный коллектив ученых синтезировал и исследовал гексакарбонил сиборгия , Sg(CO) 6 , - соединение нестабильного элемента с атомным номером 106 с монооксидом углерода , - а также сравнил его с аналогичными соединениями нестабильных изотопов молибдена и вольфрама, гомологов сиборгия. Это самое сложное экспериментально полученное химическое соединение, в состав которого входит трансактиноид, то есть элемент с атомным номером выше 103. В химических свойствах трансактиноидов наиболее сильно проступают эффекты теории относительности для внутренних электронов, поэтому изучение химии трансактиноидов позволяет уточнить всю теорию расчета электронной структуры тяжелых атомов.

Периодическая система химических элементов заполнена уже вплоть до номера 118 (рис. 1). Вся ее структура отражает периодичность химических свойств элементов с ростом атомного номера, которая возникает при постепенном заполнении электронных оболочек. Если два химических элемента различаются количеством полностью заполненных внутренних электронных оболочек, но имеют схожие внешние электроны - а именно они отвечают за химическую связь, - то эти два элемента должны обладать похожими химическими свойствами. Эти серии элементов называются гомологами друг друга и в периодической системе они располагаются в одной группе, друг над другом. Например, переходные металлы, образующие шестую группу, - хром, молибден, вольфрам и сверхтяжелый элемент с номером 106 сиборгий - являются гомологами друг друга. Если химические свойства первых трех из них известны давно, то химия сиборгия только начинает изучаться. Однако на основе периодической системы можно ожидать, что их химические свойства будут схожими.

При сравнении химических свойств элементов-гомологов есть один важный подводный камень. В тяжелых атомах внутренние электроны движутся уже с околосветовыми скоростями, и из-за этого эффекты теории относительности работают на полную катушку. Они приводят к дополнительному сжатию s- и p-орбиталей и, как следствие, к некоторому расширению внешних электронных облаков. Большой заряд ядра также усиливает эффекты взаимодействия электронов друг с другом, например спин-орбитальное расщепление. Всё это влияет на химическую связь тяжелого атома с теми или иными соседями. И все эти эффекты современная теоретическая химия должна уметь грамотно рассчитывать.

Релятивистские эффекты тем сильнее, чем тяжелее атом. Кажется естественным для проверки теоретических расчетов использовать самые тяжелые из известных элементов - трансактиноиды , элементы с атомным номером выше 103 (рис. 1). Однако на пути к их экспериментальному изучению встают сразу несколько существенных трудностей.

Во-первых, атомные ядра элементов-трансактиноидов очень нестабильны; их типичные времена жизни составляют минуты, секунды или даже доли секунды. Поэтому ни о каком накоплении макроскопического количества вещества речи не идет, работать приходится с отдельными атомами сразу после их рождения.

Это не было бы большой проблемой, если бы не вторая трудность: эти атомы удается получать лишь в штучных количествах . Синтезируются сверхтяжелые атомы в ядерных реакциях, в процессе слияния двух других достаточно тяжелых атомов с большим содержанием нейтронов. Для этого пучок тяжелых ионов одного сорта направляется на мишень, содержащую тяжелые атомы другого сорта, и при их столкновении происходят ядерные реакции. В подавляющем большинстве случаев они порождают лишь осколки поменьше, и только изредка получается так, что в слиянии двух ядер рождается нужное сверхтяжелое ядро. В результате темп рождения сверхтяжелых ядер при непрерывном облучении мишени оказывается смехотворно малым: порядка одной штуки в минуту, в час, в день или даже в неделю.

Такая технология рождения приводит и к третьей проблеме. Синтез сверхтяжелых атомов протекает в условиях постоянной жесткой радиации пучка, бьющего по мишени, и, как следствие, в присутствии огромного потока посторонних ядерных обломков. Даже если нужное ядро родится, наберет на себя электроны из окружающей среды, станет настоящим атомом и, наконец, сразу за мишенью вступит в химическую реакцию с образованием нового соединения - это соединение будет находиться в радиационно суровых условиях, в постоянном контакте с плазмой, вызванной жесткой ионизацией. То, что в этих условиях вообще можно изучать какую-то химию трансактиноидов вплоть до флеровия (элемента 114) - уже само по себе большое достижение. Однако до сих пор все химические соединения с участием трансактиноидов были очень простыми с химической точки зрения - галогениды, оксиды, и другие подобные соединения с тяжелым атомом в максимальной степени окисления. Более хрупкие химические соединения с нетривиальной химической связью быстро разрушаются в присутствии жесткой радиации. И это всё, увы, затрудняет проверку химических свойств трансактиноидов.

На днях в журнале Science была опубликована , знаменующая собой начало «нетривиальной» химии трансактиноидов. В ней сообщается о синтезе и экспериментальном изучении соединения Sg(CO) 6 , гексакарбонила сиборгия (рис. 2). Более того, в той же самой установке и теми же самыми методами были исследованы и гексакарбонильные комплексы элементов-гомологов сиборгия, Mo(CO) 6 и W(CO) 6 , причем для них тоже использовались короткоживущие изотопы молибдена и вольфрама с периодом полураспада в несколько секунд или минут.

Главная изюминка этой работы - это комбинированная экспериментальная установка, в которой сведены воедино несколько технических достижений последнего десятилетия. Эта установка преодолевает третью из упомянутых выше проблем - она пространственно разносит область синтеза сверхтяжелых ядер и область физико-химического исследования полученного соединения. Ее общий вид показан на рис. 3. На входе в установку (справа налево на заднем плане рисунка) пучок ядер взаимодействует с мишенью и порождает «коктейль» из вторичных ядер. Продукты реакции отклоняются дипольным магнитном (элемент D на рисунке), причем по-разному для разного соотношения заряда и массы ядер. Величина магнитного поля рассчитана таким образом, чтобы дальше, через систему магнитных линз (Q), проходили только исследуемые ядра, а фоновые ядра и исходный пучок отклонялись прочь. По сути, эта методика повторяет широко известную масс-спектрометрию в применении к ядрам.

На следующем этапе выделенные ядра (Sg, Mo или W) попадают в камеру RTC, сквозь которую продувается газовая смесь гелия и моноксида углерода. Важный момент: на пути в камеру ядра проходят сквозь окошко строго определенной толщины, изготовленное из майлара . Оно гасит кинетическую энергию горячих ядер и позволяет им термализоваться (замедлиться до энергии теплового движения молекул) внутри газовой камеры. Там ядра «одеваются электронами» и, вступая в химическую реакцию с моноксидом углерода, образуют соединение - карбонильный комплекс. Поскольку соединение является летучим, оно переносится со всем газовым потоком по 10-метровому тефлоновому капилляру ко второй части установки - специальному анализатору COMPACT.

Название COMPACT расшифровывается как Cryo-Online Multidetector for Physics and Chemistry of Transactinoids . Эта установка представляет собой целую линейку из 32 пар полупроводниковых детекторов для газовой термохроматографии соединений нестабильных элементов. Вдоль линейки создан сильный градиент температуры: каждая пара детекторов находится при своей температуре, от +30°C в начале линейки до −120°C в ее конце. Каждый детектор способен регистрировать α и β-частицы, вылетающие из ядер при их распаде, и с высокой точностью измерять их энергию и время вылета. Это необходимо для того, чтобы идентифицировать ядра сиборгия по их характерной цепочке распадов, в которых одна за другой вылетают альфа-частицы определенных энергий, и не спутать эти редкие события с фоновыми процессами.

Работа анализатора COMPACT выглядит так. Когда газовая смесь продувается сквозь линейку, молекулы карбонильного комплекса тяжелого металла осаждаются на поверхности того или иного детектора, где они и регистрируются после радиоактивного распада. Номер детектора, в котором регистрируется распад, показывает ту температуру, при которой абсорбция молекулы становится энергетически выгодной. Эта температура определяется физико-химической характеристикой изучаемого карбонил-комплекса - энтальпией адсорбции. Ну а сама эта характеристика вещества, в свою очередь, предсказывается химическими расчетами, в которых релятивистские эффекты играют существенную роль. Таким образом, измеряя то, как Sg(CO) 6 , W(CO) 6 и Mo(CO) 6 осаждаются в анализаторе COMPACT, можно проверять теоретико-химические теоретические расчеты и измерять энтальпию адсорбции этих веществ.

Результаты этого исследования показаны на рис. 4. Здесь отложено несколько характеристик в каждой из 32 пар детекторов. Верхний график - это просто распределение температуры вдоль линейки. Средний и нижний графики показывают, собственно, сами экспериментальные данные - распределение зарегистрированных распадов ядер вольфрама-164 (в центре) и сиборгия-265 (внизу) по детекторам. Событий с сиборгием тут, конечно, маловато - за две недели непрерывного облучения мишени интенсивным пучком их всего было зарегистрировано 18 штук. Но тем не менее хорошо видно, что они распределены не равномерно по линейке, а ближе к ее концу, в детекторах с номерами выше 20. Примерно такая же картина и получалась при моделировании этого процесса с энтальпией адсорбции, вычисленной совсем недавно в теоретической работе как раз для этих веществ. Аналогичная картина наблюдается и для соединения с нестабильным изотопом вольфрама и с изотопами молибдена (они на рисунке не показаны): максимум распределений попадает именно туда, куда предсказывают теоретические расчеты. Это совпадение придает дополнительную уверенность в том, что современные методы полностью релятивистского расчета структуры тяжелых атомов адекватно описывают экспериментальные данные.

В завершение полезно взглянуть на это исследование с высоты птичьего полета. Обычно нестабильные сверхтяжелые элементы интересуют физиков ради новых знаний в ядерной физике. Однако раз природа нам позволяет, эти элементы можно использовать и с другой целью - для проверки того, насколько хорошо мы можем предсказать химические свойства таких атомов. Это знание, в свою очередь, нужно нам не само по себе, а как дополнительная проверка всей современной теории расчета электронных структур тяжелых атомов с учетом релятивистских эффектов. А уж отсюда следуют многочисленные применения, от сугубо прикладных исследований до самой настоящей фундаментальной науки . Химия трансактиноидов лишний раз подчеркивает то, насколько сильно связаны друг с другом самые разные области физики и смежных дисциплин.

Все вещества делятся на простые и сложные.

Простые вещества - это вещества, которые состоят из атомов одного элемента.

В некоторых простых веществах атомы одного элемента соединяются друг с другом и образуют молекулы. Такие простые вещества имеют молекулярное строение . К ним относятся: , . Все эти вещества состоят из двухатомных молекул. (Обратите внимание, что названия простых веществ совпадают с названиями элементов!)

Другие простые вещества имеют атомное строение , т. е. состоят из атомов, между которыми существуют определенные связи. Примерами таких простых веществ являются все ( , и т. д.) и некоторые ( , и др.). Не только названия, но и формулы этих простых веществ совпадают с символами элементов.

Существует также группа простых веществ, которые называются . К ним относятся: гелий Не, неон Ne, аргон Аr, криптон Kr, ксенон Хе, радон Rn. Эти простые вещества состоят из не связанных друг с другом атомов.

Каждый элемент образует как минимум одно простое вещество. Некоторые элементы могут образовывать не одно, а два или несколько простых веществ. Это явление называется аллотропией.

Аллотропия - это явление образования нескольких простых веществ одним элементом.

Разные простые вещества, которые образуются одним и тем же химическим элементом, называются аллотропными видоизменениями (модификациями).

Аллотропные модификации могут отличаться друг от друга составом молекул. Например, элемент кислород образует два простых вещества. Одно из них состоит из двухатомных молекул О 2 и имеет такое же название, как и элемент- . Другое простое вещество состоит из трехатомных молекул О 3 и имеет собственное название - озон.

Кислород О 2 и озон О 3 имеют различные физические и химические свойства.

Аллотропные модификации могут представлять собой твердые вещества, которые имеют различное строение кристаллов. Примером являются аллотропные модификации углерода С - алмаз и графит.

Число известных простых веществ (примерно 400) значительно больше, чем число химических элементов, так как многие элементы могут образовывать две или несколько аллотропных модификаций.

Сложные вещества - это вещества, которые состоят из атомов разных элементов.

Примеры сложных веществ: НCl, Н 2 O, NaCl, СО 2 , H 2 SO 4 и т. д.

Сложные вещества часто называют химическими соединениями. В химических соединениях свойства простых веществ, из которых образуются эти соединения, не сохраняются. Свойства сложного вещества отличаются от свойств простых веществ, из которых оно образуется.

Например, хлорид натрия NaCl может образоваться из простых веществ - металлического натрия Na и газообразного хлора Сl Физические и химические свойства NaCl отличаются от свойств Na и Cl 2 .

В природе, как правило, встречаются не чистые вещества, а смеси веществ. В практической деятельности мы также обычно используем смеси веществ. Любая смесь состоит из двух или большего числа веществ, которые называются компонентами смеси .

Например, воздух представляет собой смесь нескольких газообразных веществ: кислорода О 2 (21 % по объему), (78%), и др. Смесями являются растворы многих веществ, сплавы некоторых металлов и т. д.

Смеси веществ бывают гомогенными (однородными) и гетерогенными (неоднородными).

Гомогенные смеси - это смеси, в которых между компонентами нет поверхности раздела.

Гомогенными являются смеси газов (в частности, воздух), жидкие растворы (например, раствор сахара в воде).

Гетерогенные смеси - это смеси, в которых компоненты разделяются поверхностью раздела.

К гетерогенным относятся смеси твердых веществ (песок + порошок мела), смеси нерастворимых друг в друге жидкостей (вода + масло), смеси жидкостей и нерастворимых в нем твердых веществ (вода + мел).

Важнейшие отличия смесей от химических соединений:

1. В смесях свойства отдельных веществ (компонентов) сохраняются.
2. Состав смесей не является постоянным.

Большинство химических реакций, протекающих в окружающем нас мире и используемых в промышленности, являются сложными. В зависимости от механизма они подразделяются на обратимые ,параллельные ,последовательные ,сопряжённые ,цепные .

К обратимым относятся реакции, которые при данных условиях могут самопроизвольно протекать как в прямом, так и в обратном направлении. В общем виде химическое уравнение обратимой реакции записывается следующим образом:

аА + bB+ … ↔cC+dD+ …,

где а, b , с, d , …. – стехиометрические коэффициенты перед формулами исходных (А, В, ….) и конечных (С, D , …) веществ.

Примером обратимого процесса, протекающего в живых организмах, может служить реакция этерификации:

R 1 – COOH + HO – R 2 ↔ R 1 – С(O)O – R 2 + H 2 O,

а используемого в промышленности – синтез аммиака из азота и водорода:

3 Н 2 +N 2 ↔ 2NH 3

C корость обратимой реакции равна разности между скоростями прямой и обратной реакций.

Параллельными реакциями называются реакции вида:

т.е., при которых одни и те же исходные вещества, одновременно реагируя между собой, образуют разные продукты.

Примером подобного типа реакций является реакция разложения бертолетовой соли KClO 3 , способная протекать при определённых условиях в двух направлениях

Параллельно по двум и более механизмам может протекать распад ядер атомов некоторых радиоактивных элементов. Особенно часто параллельные реакции встречаются в органической химии. Например, при сульфировании толуола серной кислотой могут одновременно образоваться орто- и парасульфопроизводные:

В некоторых случаях параллельными могут быть и биохимические реакции, протекающие в клетках живых организмов. Например, ферментативное брожение глюкозы:

1) С 6 H 12 O 6
2 С 2 H 5 OH+ 2CO 2

спиртовое брожение

2) С 6 H 12 O 6
СH 3 – CH(OH) – COOH

молочнокислое брожение

При определённых условиях многие параллельные реакции могут протекать преимущественно только в каком-нибудь одном направлении.

Скорость параллельной реакции определяется скоростью наиболее быстрой её стадии.

Последовательными называются такие реакции, в которых образование конечного продукта из исходных веществ происходит не непосредственно, а обязательно через ряд промежуточных стадий, протекающих одна за другой в строго определённой последовательности. Схематически такой процесс можно изобразить следующим образом:

А → В → С → D,

где каждой буквой обозначается отдельная стадия процесса. В общем случае число таких стадий в последовательных реакциях может быть самым разным (от нескольких единиц до нескольких десятков). Причём каждая из стадий, в свою очередь, не обязательно является простой моно- или бимолекулярной реакцией, но может быть и сложной.

Последовательные реакции распространены в природе и особенно часто они наблюдаются в биохимических процессах, протекающих в живых организмах, растениях. В качестве примера таких реакций можно привести фотосинтез и биологическое окисление глюкозы, гидролиз олиго- и полисахаридов и т.д.

Расчёт кинетики последовательных реакций сложен и достаточно точно может быть осуществлён лишь для сравнительно простых процессов, состоящих из небольшого числа стадий.

Однако, если одна из стадий последовательной реакции обладает значительно меньшей скоростью, чем все остальные, то общая скорость реакции будет определяться скоростью именно этой стадии, которая в данном случае называется лимитирующей .

Например, реакция хлорирования оксида азота (II)

2NO+Cl 2 = 2NOCl

состоит из двух стадий:

1) NO + Cl 2 = NOCl 2 ;

2) NOCl 2 + NO = 2NOCl

Первая стадия протекает быстро с образованием нестойкого продукта NOCl 2 . Вторая стадия является медленной и лимитирующей. Скорость всей реакции описывается кинетическим уравнением

= k
·C NO

и общий порядок данной реакции равен 2.

Сопряжёнными называют реакции, протекающие по следующей схеме:

Одна из этих реакций может протекать самостоятельно, а вторая реакция осуществима только в присутствии первой. Таким образом, протекание одной реакции инициирует осуществление второй.

Сопряжённые реакции возможны в биохимии. Они протекают в клетках, причём энергию, необходимую для течения второй реакции с ΔG 2 > 0, доставляет первая реакция, для которой ΔG 1 < 0. Причём │ΔG 1 │> │ΔG 2 │, т.е. весь процесс в целом протекает с уменьшением энергии Гиббса. Подобные биохимические реакции иначе называютсятандемными .

Часто механизм сопряжённых реакций заключается в образовании на первой стадии активных промежуточных частиц (радикалов или ионов), которые инициируют протекание всех остальных реакций.

Схему сопряженных реакций такого типа можно в общем виде представить следующим образом:

где С – активная промежуточная частица.

Например, бензол в водном растворе не окисляется Н 2 О 2 , но при добавлении соли двухвалентного железа происходит его превращение в фенол и дифенил. Чтобы «запустить данный процесс, ионыFe 2+ сперва вступают во взаимодействие с Н 2 О 2 , образуя радикалы · ОН

Fe 2+ + H 2 O 2 → Fe 3+ + OH – + ˙ OH,

которые затем реагируют как с бензолом

С 6 Н 6 +˙ ОН →˙ С 6 Н 5 + Н 2 О

˙ С 6 Н 5 +˙ ОН → С 6 Н 5 ОН

так и с Fe 2+

Fe 2+ +˙ OH→Fe 3+ +OH –

Явление химической индукции впервые было исследовано Н.А. Шиловым в 1905 г.

Цепными называют химические реакции, протекающие через ряд регулярно повторяющихся элементарных стадий с участием активных частиц, содержащих в своём составе атомы с неспаренными электронами на внешнем энергетическом уровне (или по другому – свободных радикалов).

К цепным относятся реакции горения, полимеризации и поликонденсации, распада ядер и др.

Механизм цепных реакций состоит в том, что свободные радикалы (часто в их роли выступают одиночные атомы) обладают высокой химической активностью. Они легко вступают во взаимодействие с устойчивыми молекулами и превращают их в активные частицы, которые затем образуют продукты реакции и новые радикалы, и таким образом возникает цепь дальнейших стадий. Цепная реакция продолжается, пока не прореагирует всё вещество, или пока не исчезнут активные частицы-радикалы.

Для цепных реакций характерны три этапа: 1) зарождение цепи ; 2)развитие цепи или её рост ; 3)обрыв цепи .

Зарождение цепи начинается с элементарного химического акта, в результате которого образуется активная частица. Этот процесс требует затраты энергии и может идти при нагревании вещества, воздействии ионизирующего излучения, действии катализатора.

Например, в реакции синтеза хлороводорода и водорода и хлора, протекающей по цепному механизму (Н 2 +Cl 2 = 2HCl), возникновению цепи соответствует процесс

Cl 2 2 ∙ Сl

Развитие цепи представляет собой периодическое повторение стадий реакции с участием образовавшихся радикалов. Они иначе называются звеньями цепи:

Н 2 + · Cl→HCl+˙ H

˙ H+Cl 2 →HCl+˙ Cl

H 2 +˙ Cl→HCl+˙ H

Cl 2 +˙ H→HCl+˙ Clи т.д.

Длина цепи определяется числом молекул исходного вещества, прореагировавшего в результате одного акта зарождения цепи, до её обрыва.

По особенностям стадии развития цепные реакции делят на неразветвлённые иразветвлённые . В первом случае количество свободных активных частиц-радикалов остаётся неизменным на протяжении всего данного этапа.

В разветвлённых цепных реакциях расход одной активной частицы приводит к образованию нескольких (двух или более) других активных частиц. Схематически это можно представить следующим образом:

Обрыв цепи соответствует исчезновению активных частиц в результате их взаимодействия друг с другом:

˙ H+˙ H=H 2

˙ Cl+˙ Cl=Cl 2 обрыв цепи

˙ H+˙ Cl=HCl

Кроме того, он может происходить при адсорбции частиц стенками сосуда, при столкновении двух активных частиц с третьей (называемой ингибитором), которой активные частицы отдают избыточную энергию. Поэтому для цепных реакций характерны зависимость их скорости от размеров, формы и материала реакционного сосуда, от наличия посторонних инертных веществ, выполняющих роль ингибитора.

Скорость неразветвлённых цепных реакций определяется скоростью наиболее медленной стадии, т.е. зарождением цепи. Для каждой стадии в реакциях данного типа используются обычные уравнения химической кинетики (первого или второго порядка).

Разветвлённые химические реакции могут протекать по сложному кинетическому закону и не иметь определённого порядка. «Размножение» радикалов в них часто приводит к лавинообразному течению процесса, которое вызывает взрыв. Однако и в этих реакциях возможен обрыв цепи. Поэтому бурное увеличение скорости процесса (вплоть до взрыва) происходит в том случае, если темп разветвления цепи опрежает темп её обрыва. Теория цепных реакций была разработана в трудах академика Н.Н. Семёнова, С.Н. Хиншельвуда (Англия) и др. учёных.

Существуют цепные реакции, в которых в роли активных частиц выступают не радикалы, а ионы, образующиеся в результате гетеролитического разрыва химической связи:

А : В → А ˉ : + В +

Подобный механизм на практике часто реализуется в реакциях полимеризации непредельных органических соединений.

Окружающий мир материален. Материя бывает двух видов: вещество и поле. Объект химии – вещество (в том числе и влияние на вещество различных полей – звуковых, магнитных, электромагнитных и др.)

Вещество - все, что имеет массу покоя (т.е. характеризуется наличием массы тогда, когда не движется) . Так, хотя масса покоя одного электрона (масса не движущегося электрона) очень мала – около 10 -27 г, но даже один электрон – это вещество.

Вещество бывает в трех агрегатных состояниях – газообразном, жидком и твердом. Есть еще одно состояние вещества – плазма (например, плазма есть в грозовой и шаровой молнии), но в школьном курсе химию плазмы почти не рассматривают.

Вещества могут быть чистыми, очень чистыми (нужными, например, для создания волоконной оптики), могут содержать заметные количества примесей, могут быть смесями.

Все вещества состоят из мельчайших частиц – атомов. Вещества, состоящие из атомов одного вида (из атомов одного элемента), называют простыми (например, древесный уголь, кислород, азот, серебро и др.). Вещества, которые содержат связанные между собой атомы разных элементов, называют сложными.

Если в веществе (например, в воздухе) присутствуют два или большее число простых веществ, и их атомы не связаны между собой, то его называют не сложным, а смесью простых веществ. Число простых веществ сравнительно невелико (около пятисот), а число сложных веществ огромно. К настоящему времени известны десятки миллионов разных сложных веществ.

Химические превращения

Вещества способны вступать между собой во взаимодействие, причем возникают новые вещества. Такие превращения называют химическими . Например, простое вещество уголь взаимодействует (химики говорят – реагирует) с другим простым веществом – кислородом, в результате образуется сложное вещество – углекислый газ, в котором атомы углерода и кислорода связаны между собой. Такие превращения одних веществ в другие называют химическими. Химические превращения – это химические реакции. Так, при нагревании сахара на воздухе сложное сладкое вещество – сахароза (из которого состоит сахар) – превращается в простое вещество – уголь и сложное вещество – воду.

Химия изучает превращения одних веществ в другие. Задача химии – выяснить, с какими именно веществами может при данных условиях взаимодействовать (реагировать) то или иное вещество, что при этом образуется. Кроме того, важно выяснить, при каких именно условиях может протекать то или иное превращение и можно получить нужное вещество.

Физические свойства веществ

Каждое вещество характеризуется совокупностью физических и химических свойств. Физические свойства – это свойства, которые можно охарактеризовать с помощью физических приборов . Например, с помощью термометра можно определить температуру плавления и кипения воды. Физическими методами можно охарактеризовать способность вещества проводить электрический ток, определить плотность вещества, его твердость и т.д. При физических процессах вещества остаются неизменными по составу.

Физические свойства веществ подразделяют на счислимые (те, которые можно охарактеризовать с помощью тех или иных физических приборов числом, например, указанием плотности, температур плавления и кипения, растворимости в воде и др.) и несчислимые (те, которые охарактеризовать числом нельзя или очень трудно – такие, как цвет, запах, вкус и др.).

Химические свойства веществ

Химические свойства вещества – это совокупность сведений о том, с какими другими веществами и при каких условиях вступает в химические взаимодействия данное вещество . Важнейшая задача химии – выявление химических свойств веществ.

В химических превращениях участвуют мельчайшие частицы веществ – атомы. При химических превращениях из одних веществ образуются другие вещества, и исходные вещества исчезают, а вместо них образуются новые вещества (продукты реакции). А атомы при всех химических превращениях сохраняются . Происходит их перегруппировка, при химических превращениях старые связи между атомами разрушаются и возникают новые связи.

Химический элемент

Число различных веществ огромно (и у каждого из них своя совокупность физических и химических свойств). Атомов, отличающихся друг от друга по важнейшим характеристикам, в окружающем нас материальном мире сравнительно невелико – около ста. Каждому виду атомов отвечает свой химический элемент. Химический элемент – это совокупность атомов с одинаковыми или близкими характеристиками . В природе встречается около 90 различных химических элементов. К настоящему времени физики научились создавать новые, отсутствующие на Земле виды атомов. Такие атомы (и, соответственно, такие химические элементы) называют искусственными (по-английски – man-made elements). Искусственно полученных элементов к настоящему времени синтезировано более двух десятков.

Каждый элемент имеет латинское название и одно- или двух-буквенный символ. В русскоязычной химической литературе нет четких правил произношения символов химических элементов. Одни произносят так: называют элемент по-русски (символы натрия, магния и др.), другие – по латинским буквам (символы углерода, фосфора, серы), третьи – как звучит название элемента по-латыни (железо, серебро, золото, ртуть). Символ элемента водорода Н у нас принято произносить так, как эту букву произносят по-французски.

Сравнение важнейших характеристик химических элементов и простых веществ приведено в таблице ниже. Одному элементу может отвечать несколько простых веществ (явление аллотропии: углерод, кислород и др.), а может – и одно (аргон и др. инертные газы).