Хімі́чна сполу́ка — речовина, молекули якої складаються з атомів двох або більше різних хімічних елементів, сполучених між собою тим чи іншим типом хімічного зв'язку. Сполука має певний хімічний склад і їй можна приписати точну хімічну формулу.
Загальний опис Хімічні сполуки відрізняються від простих речовин тим, що до їхнього складу входять атоми різних хімічних елементів. На відміну від сумішей хімічних елементів, хімічна сполука має якісно нові властивості, які не зводяться до властивостей хімічних елементів, що входять до її складу.
Поняття хімічна сполука ідеалізоване: на відміну від реальних хімічних речовин, більшість з яких є сумішами різних хімічних сполук. Хімічні речовини, що мають у своєму складі практично тільки одну хімічну сполуку, називають чистими.
Зазвичай, структурною одиницею хімічної сполуки є молекула, хімічний склад та будова якої може визначатися певною хімічною формулою. Однак існують речовини немолекулярної будови та навіть сполуки змінного складу (бертоліди). В таких випадках, коли структурну одиницю складно визначити чи важко собі уявити, склад сполуки виражають формульною одиницею.
Оскільки до складу сполуки входять різні хімічні елементи, відповідні речовини називають складними. Складних речовин незрівнянно більше, ніж простих. Якщо простих речовин тепер відомо понад 500 (це більше за кількість елементів внаслідок алотропії), то складних речовин в неорганічній хімії — понад 50 тисяч, а в органічній хімії — близько 3 млн.
До складних речовин належать, наприклад, вода — H2O, молекули якої складаються з двох атомів водню і одного атома кисню, сульфатна кислота — H2SO4, молекули якої складаються з двох атомів водню, одного атома сірки і чотирьох атомів кисню тощо.
Сполука може бути такою, як вода, коли зв'язок утримується завдяки спільній парі електронів (ковалентний зв'язок), або іонною, коли зв'язок утворюється завдяки притяганню протилежних зарядів (іонний зв'язок), як, наприклад хлорид натрію.
Сполуки можуть знаходитися в різних фазах. Всі сполуки можуть існувати у твердому стані. Речовини можуть бути рідиною, газом або плазмою. Вони можуть розпадатися до сполук з меншою кількістю атомів у молекулі при температурі розкладу або до атомів при вищих температурах (як в атомно-абсорбційному аналізі).
Характеристики
З певного набору хімічних елементів можуть утворюватися різні хімічні сполуки, в залежності від того, в якій кількості та яким чином з'єднані між собою атоми. Наприклад, вуглець та кисень можуть утворити чадний газ CO або вуглекислий газ CO2.
Часто хімічну сполуку можна однозначно ідентифікувати за її хімічною формулою, яка вказує скільки атомів якого сорту входять до складу сполуки, наприклад: аміак: NH3. Більше інформації дає структурна формула, в якій вказані не тільки типи атомів, а й те, як вони з'єднані між собою. Сполуки з однаковим атомним складом, але із різною структурною формулою, а, отже, різними хімічними властивостями, називаються ізомерами.
Важливою загальною характеристикою хімічних сполук є їхня молекулярна маса, яку можна обчислити як суму атомних мас усіх атомів, що входять до складу формульної одиниці хімічної сполуки.
Історія
Для формулювання поняття про хімічну сполуку важливе значення мав закон сталості складу, відкритий Жозефом Прустом у 1799Proust, J.-L. (1799). Researches on copper, Ann. Chim., 32:26-54. Excerpt , in Henry M. Leicester and Herbert S. Klickstein, A Source Book in Chemistry, 1400—1900, Cambridge, MA: Harvard, 1952. Accessed 2008-05-08.. Цей закон стверджує, що незалежно від того, яким чином утворилася певна хімічна речовина, вона завжди містить одні й ті ж хімічні елементи, причому відношення мас цих елементів виражаються малими цілими числами. Через кілька років, у 1803, Джон Дальтон сформулював закон кратних співвідношень, який стверджував, що у разі, коли з певних елементів можуть утворюватися дві сполуки, з певною масою першого з них сполучаються такі маси другого, відношення яких теж дає мале ціле число Стаття «Law of multiple proportions» — енциклопедія Britannica . Ці два відкриття проторували шлях до розуміння атомної будови речовин.
Поняття структурної формули запровадив у 1850-тих німецький хімік Фрідріх Авґуст Кекуле фон Страдоніц.
Класифікація
Усі хімічні сполуки, яких нараховується близько 17 мільйонів, поділяють на два великі класи: органічні сполуки (більше ніж 16 мільйонів) й неорганічні сполуки. Відповідно до цього поділу в хімії елементів існують два розділи: органічна хімія та неорганічна хімія. До органічних сполук входять майже всі сполуки, які містять вуглець, крім найпростіших. Назва органічні пов'язана з ранніми уявленнями, що такі сполуки утворюються й існують лише в живих організмах.
Інший тип поділу хімічних сполук пов'язаний із їхніми хімічними властивостями, зумовленими певними хімічними елементами та функціональними групами, що входять до їхнього складу. Залежно від типів електролітів, які хімічні сполуки утворюють, розчиняючись у воді, хімічні сполуки поділяються на кислоти, основи та солі. Для кислот, як органічних, так і неорганічних, характерне відщеплення протона H+, тоді як від основ при дисоціації відокремлюється функціональна група, гідроксид-іон, OH–.
Залежно від наявності в складі хімічної сполуки певних хімічних елементів виділяють окремі групи: гідриди, оксиди, сульфіди тощо.
Органічні сполуки мають свою власну класифікацію. До найбільших груп органічних речовин належать вуглеводні, вуглеводи, спирти, альдегіди, ліпіди, цукри тощо. Окремий клас складають ароматичні сполуки — сполуки з циклічними групами. Завдяки властивостям вуглецю утворювати хімічні зв'язки різної конфігурації, молекули органічних речовин можуть мати вигляд довгих ланцюжків, які називають полімерами чи високомолекулярними сполуками. Такі високомолекулярні сполуки як білки, ДНК та РНК є біохімічною основою життя.
Класифікація за типом хімічного зв'язку
Виходячи із типу зв'язку між атомами у сполуці можна також виділити чотири типи хімічних сполук: молекулярні сполуки (у складі яких один чи більше атомів, як правило неметалу), іонні сполуки (з атомів металів і атомів неметалів), інтерметалічні сполуки (з атомів металів), комплексні сполуки (у складі яких, як правило, катіон, що містить атом(и) метал(у), та молекули або йони, які його оточують).
Звісно, існують і перехідні форми між цими чотирма типами.
Бінарні, тернарні та квартернарні сполуки
Хімічні сполуки можна класифікувати та залежно від присутності в їх складі певної кількості хімічних елементів. Так, бінарні сполуки складаються із двох елементів та мають загальну формулу AxBy. Приміром, хлороводень (HCl), фторид натрію (NaF) чи вода (H2O) складаються із двох елементів, отже, є бінарними хімічними сполуками. Аналогічно до бінарних класифікують і тернарні сполуки, що складаються із трьох елементів. Наприклад, карбонат натрію (Na2CO3), у склад якого входять елементи натрій, вуглець і кисень. Квартернарні (почетвірні) сполуки складаються відповідно із чотирьох елементів. Як приклад — гідрокарбонат натрію NaHCO3, у склад якого входять елементи натрій, вуглець, кисень і четвертий елемент водень.
Найменування
Багато хімічних сполук мають традиційні назви, що склалися історично, наприклад: вода, вуглекислий газ, сірчана кислота тощо. Однак, більшість хімічних сполук не мають таких назв. Як наслідок, виникла необхідність розробки хімічної номенклатури — правил найменування хімічних сполук, які дозволяли б однозначно назвати будь-яку сполуку, були б міжнародними і якомога краще відображали б структуру речовини. Створенням і підтримкою такої номенклатури опікується Міжнародний союз фундаментальної та прикладної хімії (IUPAC).
В Україні номенклатура хімічних сполук затверджується державними стандартами.
Опис основних груп органічних сполук
Вуглеводні
Органічні сполуки, що складаються виключно з атомів вуглецю та водню. Вуглеводні вважаються базовими сполуками органічної хімії, всі інші органічні сполуки розглядають як їх похідні. Оскільки вуглець має чотири валентні електрони, а водень — один, найпростіший вуглеводень — метан (CH4). При систематизації вуглеводнів беруть до уваги будову вуглецевого скелета і тип зв'язків, що з'єднують атоми вуглецю. Залежно від топології будови вуглецевого скелета вуглеводні поділяють на ациклічні та карбоциклічні. Залежно від кратності вуглець-вуглецевих зв'язків вуглеводні поділяють на граничні (алкани) і ненасичені (алкени, алкіни, дієни). Циклічні вуглеводні поділяють на аліциклічні та ароматичні.
Спирти
Органічні сполуки, що містять одну або більше гідроксильних груп (гідроксил, − O H), безпосередньо пов'язаних з насиченим (що знаходиться в стані sp³-гібридизації) атомом вуглецю. Спирти можна розглядати як похідні води (H-O-H), в яких один атом водню заміщений на органічну функціональну групу: R-O-H. У номенклатурі ІЮПАК для сполук, у яких гідроксильна група пов'язана з ненасиченим (sp² -гібридним) атомом вуглецю, рекомендуються назви «еноли» (гідроксил пов'язаний з вінільним C=C-зв'язком) «феноли» (гідроксил пов'язаний з бензольним або іншим ароматичним циклом). Спирти являють собою великий і різноманітний клас сполук: вони дуже поширені в природі і часто виконують важливі функції в живих організмах. Спирти є важливими сполуками з погляду органічного синтезу, представляючи інтерес не тільки як цільові продукти, але і як проміжні речовини, що мають ряд унікальних хімічних властивостей. Крім того, спирти є промислово важливими продуктами і знаходять широке застосування як у промисловості, так і в повсякденних програмах.
Альдегіди
Клас органічних сполук, що містять карбонільну групу (С=О) з одним алкільним або арильним замісником. Альдегіди і кетони дуже схожі, відмінність полягає в тому, що останні мають при карбонільній групі два заступники. Поляризація подвійного зв'язку «вуглець-кисень» за принципом мезомерного сполучення дозволяє записати наступні резонансні структури: . Подібний поділ зарядів підтверджується фізичними методами дослідження і багато в чому визначає реакційну здатність альдегідів як виражених електрофілів. У загальному випадку хімічні властивості альдегідів аналогічні кетонам, проте альдегіди виявляють більшу активність, що пов'язано з більшою поляризацією зв'язку. Крім того, для альдегідів характерні реакції, не характерні для кетонів, наприклад, гідратація у водному розчині: у метаналю у зв'язку з ще більшою поляризацією зв'язку — повна, а в інших альдегідів — часткова: . Найпростіші альдегіди мають різкий характерний запах (наприклад, бензальдегід — запах мигдалю). Під дією гідроксиламіну перетворюються на оксими:
.
Ефіри Прості ефіри — органічні речовини, що мають формулу R-O-R1, де R і R1 — вуглеводневі радикали. Проте слід враховувати, що така група може входити до складу інших функціональних груп сполук, які не є простими ефірами.
Складні ефіри — похідні оксокислот (як карбонових, так і мінеральних) RE(=O)(OH), (l ≠ 0), що формально є продуктами заміщення атомів водню гідроксилів -OH кислотної функції на вуглеводневий залишок (аліфатичний, алкенільний, ароматичний або гетероароматичний); розглядаються також як ацилпохідні спиртів. У номенклатурі IUPAC до складних ефірів відносять також ацилпохідні халькогенідних аналогів спиртів (тіолів, селенолів та телуролів). Відрізняються від простих ефірів, в яких два вуглеводневі радикали з'єднані атомом кисню (R-O-R).
Кетони
Органічні речовини, в молекулах яких карбонільна група пов'язана з двома вуглеводневими радикалами. Загальна формула кетонів: R1-CO-R2. Серед інших карбонільних сполук наявність у кетонах саме двох атомів вуглецю, безпосередньо пов'язаних з карбонільною групою, відрізняє їх від карбонових кислот та їх похідних, а також альдегідів.
Карбонові кислоти