Hemijski spoj

Hemijski spoj jeste čista hemijska supstanca koja se sastoji iz dva ili više različitih hemijskih elemenata, a koja se pomoću hemijskih reakcija može razdvojiti u jednostavnije supstance. Svaki hemijski spoj ima jedinistvenu, definiranu hemijsku strukturu. Oni se sadrže od atoma u fiksnom omjeru koji su povezani jedan s drugim hemijskim vezama u definiranom prostornom rasporedu. Hemijski spojevi mogu biti molekularni spojevi koji su povezani zajedno kovalentnim vezama, soli koje su nastale vezanjem atoma ionskim vezama, međumetalni spojevi koji se drže na okupu metalnim vezama ili kompleksi koji su povezani koordiniranim kovalentnim vezama. Razlika između hemijskog spoja i smjese ogleda se u tome što se smjesa može rastaviti na svoje pojedinačne sastojke fizičkim metodama razdvajanja (separacije), poput filtriranja, sedimentacije, destilacije i drugih.

Čisti hemijski elementi se ne smatraju hemijskim spojevima, čak i kada su oni sastavljeni iz molekula koje sadrže samo jednu vrstu atoma jednog elementa (kao naprimjer molekule H2, S8, itd.), a koje se nazivaju diatomne ili poliatomne molekule.

 Šire definicije 
Postoje određeni izuzeci od gornje definicije, jer mnogi čvrsti hemijski materijali koji su uobičajeni na Zemlji (naprimjer mnogi silikatni minerali), nemaju jednostavne hemijske formule u kojima su različiti elementi spojeni hemijskim vezama jedan s drugim, ne stoje u tačnom i fiksnom omjeru. Takvi kristalni spojevi nazivaju se nestehiometrijski spojevi. Njihov sastav varira bilo zbog prisustva drugih elemenata koji su zarobljeni unutar njihove kristalne strukture bilo da nedostaje ili ima viška nekog od njihovih osnovnih elemenata. Takvi nestehiometrijski hemijski spojevi sačinjavaju najveći dio Zemljine kore i Zemljinog plašta.

Drugi spojevi, za koje se smatra da su hemijski identični, mogu imati različite količine težih ili lakših izotopa svojih sastavnih elemenata, a koji neznatno mijenjaju maseni omjer elemenata.

 Historija 
Za formuliranje važnosti pojma hemijskog spoja, vrlo važnu ulogu igra zakon o stalnom omjeru masa, kojeg je definirao Joseph Proust 1799. godine. Ovaj zakon kaže da, bez obzira kako se neki hemijski spoj dobija, on se uvijek sastoji iz istih hemijskih elemenata, pri čemu se odnos masa ovih elemenata izražava malim cijelim brojevima. Nekoliko godina kasnije, John Dalton je 1803. je formulirao zakon umnoženih masenih odnosa prema kojem u slučaju kada od određenih elemenata može nastati dva ili više spojeva sa određenim masama nekog elementa, tako kombinirane mase drugih elemenata u tom spoju imaju takav odnos da njihov omjer također daje cijeli broj. Ova dva zakona su utrla put za razumijevanje atomske strukture materije. Koncept strukturnih formula hemijskih spojeva uveden je 1850tih godina, pri čemu najveću zaslugu ima njemački hemičar Friedrich August Kekule von Stradonitz.

 Brojnost i raznovrsnost 
Ugrubo, danas naučnici razlikuju više od 80 miliona poznatih hemijskih spojeva, ionskih, tj. spojeva sličnih solima kao i kompleksa, metalnih kao i molekularnih spojeva. Također jedna od osnovnih podjela jeste podjela na neorganske i organske spojeve, pri čemu se kao organski, uz samo nekoliko izuzetaka, označavaju svi spojevi koji sadrže ugljik. U 2002. godini bilo je poznato oko 16 miliona organskih, tri miliona neorganskih spojeva i oko jedan milion polimera.

U osnovama, a u zavisnosti od načina i vrste veze između atomima elemenata iz kojih je sastavljen određeni spoj, mogu se razlikovati četiri osnovne vrste hemijskih spojeva:
 molekularni spojevi (po pravilu spojevi od jednog nemetalnog elemente i jednog ili više drugih nemetala)
 ionski spojevi (po pravilu sastoje se iz jednog metala i jednog ili više nemetala)
 metalni spojevi (od metala)
 kompleksi (kompleksni spojevi, od kationa metala i iona ili drugih molekula)

Tačnija, preciznija kategorizacija spojeva i njihova sistematizacija u neku od ova četiri kategorije može se načiniti pomoću razlika u elektronegativnošću elemenata koji ulaze u sastav nekog spoja. Međutim, postoje i određeni prelazni oblici između četiri navedena idealna tipa spojeva.

 Molekularni spojevi 
Molekularni spojevi nastaju od dva ili više atoma nemetala. Oni su općenito izolatori, ne provode električnu struju, i uglavnom imaju relativno nisku tačku ključanja (osim spojeva sličnih dijamantu i vještačkim materijalima sa izuzetno velikim molekulama). Najmanji djelići molekularnih spojeva su neutralni spojevi atoma (molekule). Oni se mogu sastojati iz dva atoma (kao naprimjer ugljik(II)-oksid, CO), tri atoma (naprimjer ugljik-dioksid), a neki i do nekoliko hiljada ili desetina hiljada atoma (ogromne molekule, polimeri, naprimjer vještački materija polietilen ili molekula koja prenosi genetski materijal (DNK). Atomi u molekulama su povezani putem atomskih veza, tj. atomi koji su međusobno povezani zajednički koriste parove vanjskih elektrona.

Primjeri molekularnih spojeva, osim vode, su i gas metan, šećer, ugljik dioksid, polietilen itd.

 Ionski spojevi 
Ionski spojevi (soli) sastoje se iz kationa i aniona. Oni su često poput soli:
 krhki,
 formiraju kristale
 imaju najčešće tačku topljenja i ključanja od spojeva s kovalentnom vezom, i
 provode električnu struju samo u smjesi ili otopini.

Ioni nastaju reakcijama atoma metala i nemetala, pri čemu atomi metala otpuštaju elektrone (oksidiraju), a te elektrone primaju atomi nemetala (reduciraju se). Tako nastali kationi metala i anioni nemetala se spajaju zbog elektrostatičke privlačnosti kristalnih iona. Prema vrsti nemetala koji učestvuju pri ionskim vezama razlikuju se sljedeći ionski spojevi: oksidi (kisik kao anion), sulfidi (sumpor), fluoridi (fluor), hloridi, bromidi, jodidi, nitridi (sa dušikom), karbidi (sa ugljikom), hidridi (sa vodikom) i drugi. Pored toga, u sastav aniona ulazi i kisik kao treći element, pa tako nastaju još i sulfati, hlorati, nitrati, karbonati itd.

Neki od primjera ionskih spojeva su željezo(III)-oksid (slično hrđi), pirit (željezo-sulfid), natrij-hlorid (kuhinjska so) i kalcij-sulfat (gips).

 Međumetalni spojevi 
Međumetalni spojevi (često u svakodnevnom govoru poznati i kao legure) nastaju iz dva ili više metala. Oni su:
 vrlo dobri provodnici električne struje,
 dobro se mogu oblikovati,
 imaju metalni sjaj,
 dobro provode toplotu i
 na sobnoj temperaturi su uglavnom u čvrstom stanju.

Spajanje različitih metala u legure može se vršiti u proizvoljnim omjerima, naročito kada se radi o miješanju dva ili više istopljena metala u smjesu. Kada se grade međumetalni spojevi, tada su elementi koje ih grade sadržani u njima samo u tačno određenim količinskim omjerima (međumetalnim fazama, stehiometrijskim sastavima, vidi također i članak stehiometrija)

Primjeri legura su bronza (od bakra i kalaja), mesing (bakar sa cinkom) i bakar-nikl (metal za izradu kovanica). Primjeri međumetalnih spojeva su spojevi između magnezija i germanija (formula: Mg2Ge), Al2Cu, magnezij-silicid (Mg2Si), bronza Cu4Sn, te cementit Fe3C (od željeza i ugljika, pri čemu se ugljik ponaša kao metal) i WC (volfram-karbid).

 Kompleksi 
Spojevi višeg reda (kompleksi) nastaju putem reakcije građenja kompleksa, većinom iz kationa obojenih metala i molekula sa slobodnim elektronskim parovima (ligandima). Mnogi od kompleksa su izrazito obojeni raznim bojama.

Naprimjer, supstanca koja daje crvenu boju krvi, hemoglobin, sastoji se iz iona željeza(II) i molekula bjelančevina, te tamnoplavi kompleks bakar-tetramina sastavljen iz iona bakra(II) i amonijaka.

 Binarni, ternarni i kvaternarni spojevi 
Hemijski spojevi se mogu podijeliti po broju hemijskih elemenata koji ulaze u njihov sastav.

Binarni spojevi sastavljeni su iz dva različita hemijska elemenata te imaju opću hemijsku formulu AxBy. Hlorovodik (HCl), natrij-fluorid (NaF) i voda (H2O) sastoje se iz dva hemijska elementa pa su prema tome svi oni binarni spojevi. Takvi spojevi mogu biti  molekularni, ionski (soli) ili međumetalni spojevi.

Analogno tome, postoji i ternarni spojevi koji se sastoje iz tri različita elementa, kao naprimjer natrij-karbonat (Na2CO3), koji se sastoji iz natrija, ugljika i vodika.

Među kvaternarne spojeve spada naprimjer kalij-hidrogenkarbonat (KHCO3).

Međutim, pojam primarni spojevi u ovom smislu nema nikakvog smisla, jer se prema definiciji hemijski spoj treba sastojati iz najmanje dva različita hemijska elementa. Različite supstance koje su sastavljene iz samo jednog elementa (poput grafita, dijamanta i slično) nazivaju se alotropske modifikacije. U nekim izvorima za takve supstance koristi se i pojam elementarni spoj.

 Organski spojevi 

Molekularni spojevi, u kojima je sadržan ugljik spojen sa vodikom, označavaju se kao organski spojevi, uz izuzetak nekoliko neorganskih spojeva ugljika i oblika čistog elementarnog ugljika (grafit, dijamant i drugi). Oni sačinjavaju daleko najveći dio svih poznatih hemijskih spojeva, a njihova raznovrsnost kreće se od najjednostavnijih poput gasa metana iz grupe alkana, odnosno općenito ugljikovodika, do vrlo složenih spojeva. Pored ugljikovog "skeleta" (lanca), u organskim spojevima često se nalaze i mnoge druge atomske grupe, koji u znatnoj mjeri utječu na osobine organskih spojeva.

Prema ugljikovom skeletu (lancu), organski spojevi se otprilike mogu podijeliti na:
 alifatske ugljikovodike (alifate, između ostalih aciklične ugljikovodike, zasićene alkane, nezasićene alkene i alkine, te ciklične ugljikovodike.
 aromatske ugljikovodike (aromate, koji se dalje dijele na jednostavne i kondenzirane aromate),
 heterociklične spojeve, kao i
 biohemijske spojeve (alkaloide, aminokiseline, ugljikohidrate, bjelančevine, steroide, terpene, vitamine itd.)

Prema funkcionalnim grupama, organski spojevi se mogu podijeliti na:
 spojeve kisika i hidroksi-spojeve (alkohole, aldehide, estre, etre, ketone, karboksilne kiseline itd.)
 spojeve dušika (amine, amide, nitro-spojeve, nitrile),
 spojeve sumpora (alkantiole, sulfide, disulfide, estre sumporne kiseline, sulfone, sulfokside, tionamide, tioestre, tio kiseline itd.)
 spojeve fosfora (fosfate, fosfine),
 organometalne spojeve.

 Osnovni koncepti 
Karakteristične osobine spojeva su:
 Hemijski elementi u spoju nalaze se u određenoj proporciji

Naprimjer jedan atom natrija i jedan atom hlora postaju jedna molekula natrij-hlorida (osnovnog sastojka kuhinjske soli)

 Spojevi imaju konačan skup osobina

Elementi iz kojih se sastoji neki spoj, ne zadržavaju svoje prvobitne osobine.Naprimjer, vodik (zapaljivi gas koji ne podržava sagorijevanje) + kisik (nezapaljivi gas koji podržava sagorijevanje) postaju voda (nezapaljivi spoj koji ne podržava sagorijevanje)

Valencija predstavlja broj atoma vodika koji se mogu spojiti (kombinirati) sa atomom nekog elementa da bi dali (proizveli) neki hemijski spoj.

 Usporedba sa smjesama 
Fizičke i hemijske osobine spojeva razlikuju se u znatnoj mjeri od osobina elemenata koje ih grade. To je ujedno i jedan od osnovnih kriterija koje razlikuju spojeve od smjese elemenata ili drugih supstanci. Općenito, osobine neke smjese su vrlo bliske osobinama sastojaka iz kojih su sastavljene, te zavise od njihovih količina i koncentracija. Drugi kriterij po kojem se spojevi razlikuju od smjese jeste da se sastojci smjese obično mogu razdvojiti jedni od drugih pomoću manje ili više jednostavnih mehaničkih metoda, poput filtriranja, isparavanja ili upotrebom magneta, dok se "sastojci" spojeva mogu razdvojiti samo putem hemijskih reakcija. Na isti način, smjese se mogu dobiti pomoću jednostavnih mehaničkih metoda, dok se spojevi mogu dobiti samo hemijskim reakcijama (bilo iz elemenata ili nekih drugih spojeva, ili kombiniranjem jednih i drugih).

Neke smjese su tako "čvrsto" sjedinjene da čak mogu imati i neke osobine slične hemijskim spojevima, pa se ponekad pogrešno smatraju spojevima. Jedan od primjera su legure. Legure su načinjene mehanički, najčešće zagrijavanjem metala do tečnog stanja, zatim njihovog miješanja te brzog hlađenja tako dobijene smjese kako bi se sastojci "zarobili" u osnovni metal. Drugi primjeri smjesa koje nalikuju na spojeve su međumetalni spojevi i rastvori alkalnih metala u tečnom obliku amonijaka.

 Formula 

Hemičari opisuju spojeve koristeći hemijske formule u raznim formatima. Za spojeve koji postoje u vidu molekula, koriste se formule za molekularne jedinice. Za polimerne materijale, kao i minerale i mnoge metalne oksine, obično se navodi empirijske formula, npr. NaCl za kuhinjsku so.

Elementi u hemijskoj formuli obično su navedeni po određenom redu, nazvanom Hillov sistem. U tom sistemu, obično su prvo navedeni atomi ugljika (ako ih ima), zatim se navode atomi vodika (ako ih ima), te poslije njih svi ostali elementi po abecednom redu. Ako formula ne sadrži ugljik onda se svi elementi, uključujući i vodik, navode po abecednom redu. Međutim, od tog pravila postoji nekoliko važnih izuzetaka. Za ionske spojeve, pozitivni ion se gotovo uvijek navodi na prvom mjestu, dok se negativni ion navodi nakon njega. Za okside, atomi kisika se obično navode na kraju formule.

Općenito, organske kiseline slijede normalna pravila da se C i H atomi navode prvi u formuli. Naprimjer, formula za trifluoroacetatnu kiselinu obično se piše kao C2HF3O2. Međutim, više strukturnih podataka mogu otkriti opisne formule, kao što je naprimjer formula za istu kiselinu u obliku CF3CO2H. Na drugoj strani, hemijske formule za većinu neorganskih kiselina i baza su izuzeci od normalnih pravila. One se pišu u skladu sa pravilima za ionske spojeve (pozitivni prvi, negativni drugi), ali one također slijede pravila koja naglašavaju njihove Arrheniusove definicije. Tačnije, formula za većinu neorganskih kiselina počinje sa vodikom a formula za većinu baza završava sa hidoksid ionom (OH-).

Formule za neorganske spojeve često ne daju detaljnije strukturne podatke o njima, kao što to ilustrira uobičajena upotreba formule H2SO4 za molekulu (sumporne kiseline) koja ne sadrži H-S veze. Prezentacija koja bi dala mnogo više opisa i podataka bila bi O2S(OH)2, ali se gotovo nikad ne piše na ovaj način.

 Faze i termalne osobine 
Spojevi se također, kao i hemijski elementi, mogu pojavljivati u nekoliko agregatnih stanja. Svi spojevi mogu postojati u čvrstom stanju, barem na dovoljno niskim temperaturama. Molekularni spojevi također mogu postojati i kao tekućine, gasovi, a u nekim izuzetnim slučajevima, i u vidu plazme. Svi spojevi se mogu razložiti (raspasti) ukoliko se izlože dovoljno visokoj temperaturi. Temperatura pri kojoj se dešava takva fragmentacija često se naziva temperatura raspadanja (termolize). Ta tačka često nije precizno određena i u velikoj mjeri zavisi od brzine zagrijavanja. Naprimjer, voda se u maloj mjeri razlaže na kisik i vodik pri zagrijavanju na preko 2000 °C. Neki smatraju da ugljik(II)-oksid ima najvišu tačku termalnog raspada od preko 3870 °C.

 CAS broj 
Za svaku poznatu supstancu, uključujući i sve hemijske spojeve, dodijeljen je jedinstveni CAS registarski broj, po kojim ih naučnici i istraživači mogu jednoznačno raspoznati.

 Reference 

 Literatura 


 Brojni hemijski elementi razvrstani po svojim glavnim elementima (engl.) 

 Vanjski linkovi 
Daltonova teorija atomske strukture, na stranici Khan Academy

Kategorija:Hemija