Понятие «соединения включения»

Введение

Несмотря на весьма продолжительную историю соединений включения (в том числе клатратных соединений) и созвездие выдающихся ученых, их исследовавших, эти соединения долгое время оставались загадкой для химиков и определенная доля экзотичности сохраняется за ними и в настоящее время.

На заре развития химии, когда причины образования соединений не были ясны, соединения включения рассматривались химиками на общих основаниях. Но развитие теорий химической связи, все лучше и лучше описывающих подавляющее большинство разнообразных химических веществ, поставило как бы вне закона рассматриваемые соединения, поскольку ни одно из них не подчинялось хорошо проверенным законам.

Ореол загадочности был снят с них английским кристаллохимиком Г.Пауэллом в 1947-1948 годах. Пауэлл обнаружил, понял и описал принципиально новую, более высокого уровня организацию химической материи. Были обнаружены соединения, в которых между гостевыми и хозяйскими молекулами существует химическое взаимодействие.

В 1973 году французский химик Жан-Мари Лен, подчеркивая важную роль, которую играют невалентные взаимодействия в формировании подобных соединений и обсуждая их свойства, ввел термин "супрамолекулярная (надмолекулярная) химия", а в 1987 году ему, американцам Чарлзу Педерсену и Доналду Крэму была вручена Нобелевская премия по химии за достигнутые успехи в этой области знаний.

Понятие «соединения включения»

СОЕДИНЕНИЯ ВКЛЮЧЕНИЯ - вещества, занимающие промежуточное положение между твёрдыми растворами внедрения и истинными соединениями химическими.

Термин "соединение включения" ввел В. Шленк в 1949 году.

Соединения включения - особый вид комплексных соединений. Соединения включения образуются в результате внедрения молекул одного вида в полости кристаллической решётки или молекул другого вида. Первые молекулы получили название «гостей», вторые - «хозяев».

Способность вещества образовывать соединения включения определяется наличием в нём полостей молекулярных размеров. Молекулы включаемого вещества должны обладать конфигурацией, соответствующей форме полости. Включенные молекулы удерживаются в соединениях включения силами межмолекулярного взаимодействия.

Так как в соединения включения связываются друг с другом не отдельные молекулы, а группы молекул, то целочисленного соотношения между включаемым и включающими веществами, как правило, не существует.

Высокомолекулярные вещества позволяют получать соединения включения за счёт полостей между цепями макромолекул. Часто соединения включения образуются уже при смешении компонентов, иногда при растирании. Они нестойки, в растворах обычно распадаются на исходные вещества.

Различают молекулярные соединения включения, которые образуются при наличии полостей в единичных молекулах («хозяевах») относительно небольшой молекулярной массы. И различают решётчатые соединения включения, в которых полости возникают при образовании кристаллической решётки, иногда только в присутствии включаемого вещества; такие соединения могут быть канальными (полости в форме канала) или клатратными (полости в форме клетки).

Применение соединений включения

Соединения включения применяются для разделения смесей. Мочевина, например, позволяет выделить углеводороды нормального строения, которые она связывает в виде соединений включения, а тиомочевина - углеводороды, имеющие разветвленные цепи.

Цеолиты, получаемые с различными заданными размерами полостей, находят промышленное применение для сушки газов, разделения веществ, в ионообменных процессах.

На способности многих газов и легкокипящих жидкостей образовывать соединения включения (клатраты) с водой основаны удобные способы их хранения и разделения.

Включение - метод защиты от окисления на воздухе некоторых нестойких молекул.

Соединения включения используются и в аналитических целях: в адсорбционной и распределительной хроматографии для разделения нитрофенолов, нитроаминов и т.п.

 

Графит

 <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:GraphiteUSGOV.jpg>

Формула <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A5%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D1%83%D0%BB%D0%B0>C (углерод <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%B3%D0%BB%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%B4>)   Сингония <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D0%BD%D0%B3%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D1%8F>Гексагональная (планаксиальная) <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B5%D0%BA%D1%81%D0%B0%D0%B3%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D0%B8%D0%BD%D0%B3%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D1%8F>   Цвет <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%B2%D0%B5%D1%82>Серый, чёрный стальной   Цвет черты <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%B2%D0%B5%D1%82_%D1%87%D0%B5%D1%80%D1%82%D1%8B>Чёрная   Блеск <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%BB%D0%B5%D1%81%D0%BA>Металловидный   Прозрачность <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D0%B7%D1%80%D0%B0%D1%87%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C_%D1%81%D1%80%D0%B5%D0%B4%D1%8B>Непрозрачный   Твёрдость <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A8%D0%BA%D0%B0%D0%BB%D0%B0_%D0%9C%D0%BE%D0%BE%D1%81%D0%B0>1 - 2   Спайность <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BF%D0%B0%D0%B9%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C>Совершенная по {0001}   Плотность <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C>2,09 - 2,23 г/см³  

 

Свойства

 

Хорошо проводит электрический ток <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%82%D0%BE%D0%BA>. В отличие от алмаза <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BB%D0%BC%D0%B0%D0%B7> обладает низкой твёрдостью <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B2%D1%91%D1%80%D0%B4%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C> (1-2 по шкале Мооса <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A8%D0%BA%D0%B0%D0%BB%D0%B0_%D0%9C%D0%BE%D0%BE%D1%81%D0%B0>). Плотность <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C_%D0%B2%D0%B5%D1%89%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B0> 2,08 - 2,23 г/см³. Цвет тёмно-серый, блеск <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%BB%D0%B5%D1%81%D0%BA> металлический. Неплавок, устойчив при нагревании в отсутствие воздуха. В кислотах <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%BE%D1%82%D1%8B> не растворяется. Жирный (скользкий) на ощупь. Природный графит содержит 10-12 % примесей глин и окислов железа.

Графит - наиболее стабильная при обычных условиях модификация, имеет ярко выраженное слоистое строение. В слоях атом углерода прочно связан химической связью с тремя другими, слои связаны друг с другом фактически лишь слабыми ван-дер-ваальсовыми силами. Слои расположены таким образом, что половина атомов одного слоя находится под центрами гексагонов другого, а вторая половина - друг под другом, то есть в графите два вида кристаллографически разных атомов углерода. В обычном гексагональном графите слои расположены точно один под другим через один все четыре валентных электрона участвуют в образовании химических связей в слое. Поэтому кратность связи 1,33.

Однако очень малая часть электронов (примерно 1 на 18 000 атомов) находится в зоне проводимости, формируя металлическую связь между слоями. По этой причине металлическая связь вносит крайне небольшой вклад в энергетику взаимодействия между слоями, которая определяется в основном ван-дер-ваальсовыми силами, но существенным образом определяет свойства графита, такие, как:

·   теплопроводность, которая в три раза превышает теплопроводность ртути,

·   электропроводность, которая соизмерима с металлической (0,1 от электропроводности ртути),

·   характерный металлический блеск графита.

Слоистость структуры определяет ярко выраженную анизотропию свойств:

·   электропроводность вдоль направления слоев на два порядка выше, чем перпендикулярно им,

·   теплопроводность также гораздо (в пять раз) выше в направлении параллельно слоям,

·   коэффициент теплового расширения перпендикулярно слоям примерно в 20 раз больше, чем параллельно им.

Это объясняется тем, что слабая связь между слоями легче расшатывается тепловым движением, чем сильная химическая связь в слоях.

Относительно слабая связь между слоями позволяет широко использовать графит в качестве скользящих контактов для электрических машин, делает графит удобным твердым смазочным материалом для нагретых частей установок и двигателей (однако заметим, что при температурах порядка 2500⁰С и выше графит в значительной мере теряет свои смазочные свойства).

С химической точки зрения графит достаточно инертен: заметное окисление на воздухе начинается лишь при температуре выше 500 ⁰С и даже при воздействии такого агрессивного реагента, как фтор, при комнатной температуре не наблюдалось никаких изменений.

Однако, несмотря на свою достаточно высокую химическую инертность, графит довольно легко дает так называемые интеркалаты (слоистые соединения включения) и с гораздо менее химически активными реагентами.

 

Структура

 <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Hex.jpg> <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:3R.jpg>

α-графит           β-графит

 

Каждый атом <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D1%82%D0%BE%D0%BC> углерода <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%B3%D0%BB%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%B4> ковалентно <http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C&action=edit&redlink=1> связан <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A5%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D0%B2%D1%8F%D0%B7%D1%8C> с тремя другими окружающими его атомами углерода.

Различают две модификации графита: α-графит и β-графит. Различаются упаковкой слоёв. У α-графита половина атомов каждого слоя располагается над и под центрами шестиугольника, а у β-графита каждый четвёртый слой повторяет первый. Ромбоэдрический графит удобно представлять в гексагональных осях, чтоб показать его слоистую структуру.

β-графит в чистом виде не наблюдается, так как является метастабильной фазой. Однако, в природных графитах содержание ромбоэдрической фазы может достигать 30 %.

Искусственный синтез

 

Получают нагреванием смеси кокса <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BA%D1%81> и пека <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B5%D0%BA> до 2800 °C; из газообразных углеводородов при температуре 1400-1500 °С в вакууме <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B0%D0%BA%D1%83%D1%83%D0%BC> с последующим нагреванием образовавшегося пироуглерода до температуры 2500-3000 °С при давлении 50 МПа (образовавшийся продукт - пирографит).

 

Заключение

Итак, соединения включения являются типичными представителями надмолекулярных образований, образованные включением молекул одного сорта, называемых гостями, в полости кристаллического каркаса из молекул другого сорта (или в полость одной большой молекулы), называемых хозяевами, без образования какой-либо специфической химической связи между гостем и хозяином.

Способность графита включать ионы (атомы, молекулы) разнообразных веществ позволяет в некоторых случаях существенно усилить его полезные свойства.

Интеркаляция, как правило, приводит к существенному увеличению электропроводности. Это обусловлено ростом концентрации носителей тока по сравнению с графитом при сохранении их высокой подвижности, связанной с двухмерным характером явления переноса. Если сравнить электропроводность некоторых соединений включения графита наряду с электропроводностью металлов, то можно увидеть перспективность использования интеркалатов графита в качестве электропроводников, особенно если учесть, что сейчас хорошо развито изготовление углеродных волокон и ведутся работы по получению волоконных интеркалатов.

Основной недостаток этих материалов - неустойчивость их работы во времени.

Второе перспективное направление - это использование в качестве электродов в различных батареях и аккумуляторах.

Японская фирма "Sony" создала аккумулятор, выдерживающий более 1000 циклов "заряд - полный разряд"

Кроме этого, хорошо просматривается возможность применения интеркалатов графита как смазочных материалов в химически агрессивных средах, как хранителей агрессивных веществ.

Список используемой литературы

1. Новиков Ю. Н., Вольпин М.Е., "Успехи химии", т. 40, № 9, 1971г.;

.   Коллонг Р., Нестехиометрия, пер. с франц., М., 1974г.;

3. Свойства конструкционных материалов на основе углерода <http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4636.html>. Справочник, под ред. В. П. Соседова, М., 1975г.;

.   Хаган М., Клатратные соединения включения <http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4122.html>, пер. с англ., М., 1966г.;

.   Пауэлл Г. М., в кн.: Нестехиометрические соединения <http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/2855.html>, пер. с англ., М., 1971г.;

.   Крамер Ф., Соединения включения пер. с англ. М., 1958г.;

Введение

Несмотря на весьма продолжительную историю соединений включения (в том числе клатратных соединений) и созвездие выдающихся ученых, их исследовавших, эти соединения долгое время оставались загадкой для химиков и определенная доля экзотичности сохраняется за ними и в настоящее время.

На заре развития химии, когда причины образования соединений не были ясны, соединения включения рассматривались химиками на общих основаниях. Но развитие теорий химической связи, все лучше и лучше описывающих подавляющее большинство разнообразных химических веществ, поставило как бы вне закона рассматриваемые соединения, поскольку ни одно из них не подчинялось хорошо проверенным законам.

Ореол загадочности был снят с них английским кристаллохимиком Г.Пауэллом в 1947-1948 годах. Пауэлл обнаружил, понял и описал принципиально новую, более высокого уровня организацию химической материи. Были обнаружены соединения, в которых между гостевыми и хозяйскими молекулами существует химическое взаимодействие.

В 1973 году французский химик Жан-Мари Лен, подчеркивая важную роль, которую играют невалентные взаимодействия в формировании подобных соединений и обсуждая их свойства, ввел термин "супрамолекулярная (надмолекулярная) химия", а в 1987 году ему, американцам Чарлзу Педерсену и Доналду Крэму была вручена Нобелевская премия по химии за достигнутые успехи в этой области знаний.

Понятие «соединения включения»

СОЕДИНЕНИЯ ВКЛЮЧЕНИЯ - вещества, занимающие промежуточное положение между твёрдыми растворами внедрения и истинными соединениями химическими.

Термин "соединение включения" ввел В. Шленк в 1949 году.

Соединения включения - особый вид комплексных соединений. Соединения включения образуются в результате внедрения молекул одного вида в полости кристаллической решётки или молекул другого вида. Первые молекулы получили название «гостей», вторые - «хозяев».

Способность вещества образовывать соединения включения определяется наличием в нём полостей молекулярных размеров. Молекулы включаемого вещества должны обладать конфигурацией, соответствующей форме полости. Включенные молекулы удерживаются в соединениях включения силами межмолекулярного взаимодействия.

Так как в соединения включения связываются друг с другом не отдельные молекулы, а группы молекул, то целочисленного соотношения между включаемым и включающими веществами, как правило, не существует.

Высокомолекулярные вещества позволяют получать соединения включения за счёт полостей между цепями макромолекул. Часто соединения включения образуются уже при смешении компонентов, иногда при растирании. Они нестойки, в растворах обычно распадаются на исходные вещества.

Различают молекулярные соединения включения, которые образуются при наличии полостей в единичных молекулах («хозяевах») относительно небольшой молекулярной массы. И различают решётчатые соединения включения, в которых полости возникают при образовании кристаллической решётки, иногда только в присутствии включаемого вещества; такие соединения могут быть канальными (полости в форме канала) или клатратными (полости в форме клетки).