Hợp chất

Trong lĩnh vực hóa học, hợp chất là một loại chất được tạo thành từ hai nguyên tố khác nhau trở lên, với tỷ lệ thành phần cố định và cấu trúc nhất định. Sự thành phần của hợp chất khác biệt so với hỗn hợp, trong đó không thể tách riêng các nguyên tố hóa học ra khỏi hợp chất bằng các phương pháp vật lý. Ví dụ, nước (H₂O) là một hợp chất gồm một nguyên tử H cho mỗi nguyên tử O. Ngược lại với hợp chất là đơn chất.

Nói chung, tỷ lệ cố định này phải tuân theo các luật vật lý chặt chẽ, thay vì sự lựa chọn chủ quan của con người. Điều này là lý do tại sao các vật liệu như đồng, chất siêu dẫn như YBCO, chất bán dẫn như nhôm gali arsen hoặc sô-cô-la được xem là hỗn hợp hoặc hợp kim hơn là hợp chất.

Một công thức hóa học xác định số lượng nguyên tử của mỗi nguyên tố trong một phân tử hợp chất, sử dụng các ký hiệu viết tắt tiêu chuẩn cho các nguyên tố hóa học và số. Ví dụ, một phân tử nước có công thức H₂O chỉ ra rằng hai nguyên tử hydro liên kết với một nguyên tử oxy. Nhiều hợp chất hóa học có số CAS duy nhất được chỉ định bởi Dịch vụ Tóm tắt Hóa học. Trên toàn cầu, có hơn 350.000 hợp chất hóa học (bao gồm cả hỗn hợp hóa học) đã được đăng ký để sản xuất và sử dụng.

Một hợp chất có thể chuyển đổi thành thành phần hóa học khác thông qua phản ứng hóa học với một hợp chất hóa học khác. Trong quá trình này, các liên kết giữa các nguyên tử trong cả hai hợp chất bị phá vỡ và liên kết mới được hình thành.

Hiện nay, con người đã biết hơn 10 triệu hợp chất khác nhau, trong đó phần lớn là hợp chất hữu cơ.

Định nghĩa

Bất kỳ chất nào bao gồm hai hoặc nhiều loại nguyên tử khác nhau theo tỷ lệ hóa học cố định có thể được gọi là hợp chất hóa học. Khái niệm này dễ hiểu nhất khi xét đến các chất hóa học tinh khiết. Nó bao gồm các tỷ lệ cố định của hai hoặc nhiều loại nguyên tử mà các hợp chất hóa học có thể được chuyển đổi thông qua phản ứng hóa học thành các hợp chất hoặc các chất có ít nguyên tử hơn. Tỷ lệ của từng nguyên tử trong hợp chất được thể hiện bằng công thức hóa học của nó. Một công thức hóa học là cách để biểu thị thông tin về tỷ lệ của các nguyên tử tạo thành một hợp chất hóa học cụ thể, sử dụng các ký hiệu viết tắt tiêu chuẩn cho các nguyên tố hóa học và số chỉ số nguyên tử liên quan. Ví dụ, nước bao gồm hai nguyên tử hydro liên kết với một nguyên tử oxy: công thức hóa học là H ₂ O. Đối với các hợp chất hóa học không cân bằng, tỷ lệ có thể thay đổi tùy thuộc vào điều chế của chúng và có thể đưa ra các tỷ lệ cố định của các thành phần yếu tố của chúng, ví dụ như trong palladium hydride, PDH _x (0,02 <x <0,58).

Các hợp chất hóa học có cấu trúc hóa học độc đáo và được tổ chức với nhau thông qua các liên kết hóa học cụ thể trong không gian. Chúng có thể là các hợp chất phân tử được giữ lại bằng liên kết cộng hóa trị, các muối hoặc axit được liên kết bằng liên kết ion, các hợp chất kim loại qua các liên kết kim loại hoặc các phức hợp hóa học khác nhau được giữ lại bằng liên kết cộng hóa trị. Các nguyên tố hóa học tinh khiết thường không được xem là hợp chất hóa học, vì chúng không đáp ứng yêu cầu của hai nguyên tử trở lên, mặc dù chúng thường có thể bao gồm các phân tử chứa nhiều nguyên tử (ví dụ như trong phân tử diatomic H ₂ hoặc phân tử polyatomic S ₈, v.v.). Nhiều hợp chất hóa học có số nhận dạng CAS duy nhất được chỉ định bởi Dịch vụ Tóm tắt Hóa học (CAS).

Có các chất có các tên gọi và định danh khác nhau, đôi khi không nhất quán, bao gồm các ví dụ về các hợp chất hóa học thực sự không cân bằng, yêu cầu tỷ lệ cố định. Nhiều chất rắn hóa học, ví dụ như nhiều khoáng vật silicat, được coi là các chất hóa học, mặc dù không có công thức đơn giản phản ánh các liên kết hóa học giữa các nguyên tố theo tỷ lệ cố định; tuy nhiên, các chất kết tinh này thường được gọi là 'các hợp chất không cân bằng hóa học'. Có thể đưa ra lập luận rằng chúng có liên quan đến, thay vì là các hợp chất hóa học, trong các trường hợp biến đổi thành phần của chúng thường do sự xuất hiện của các nguyên tố lạ bị mắc kẹt trong cấu trúc tinh thể của một hợp chất hóa học thực sự khác, hoặc do sự lộn xộn trong cấu trúc liên quan đến hợp chất đã biết phát sinh từ sự thiếu hụt các yếu tố cấu thành tại các vị trí trong cấu trúc của nó; các hợp chất không cân bằng hóa học này (cùng các loại có trong nhiều khoáng vật khác) tạo thành hầu hết các lớp vỏ và lớp phủ của Trái Đất. Các hợp chất khác được xem là tương tự về mặt hóa học có thể có tỷ lệ đồng vị nặng hoặc nhẹ của các nguyên tố cấu thành, làm thay đổi tỷ lệ các nguyên tố theo khối lượng một chút.

Phân loại

Hợp chất trong lĩnh vực hóa học được phân loại thành nhiều loại:

Hợp chất vô cơ

Hợp chất vô cơ bao gồm khí CO, khí CO₂, H₂

CO₃ và các muối cacbonat, hydrocacbonat và những hợp chất không có nguyên tử C. Chúng thường được xem là kết quả của sự tổng hợp từ các quá trình địa chất, trong khi hợp chất hữu cơ thường liên quan đến các quá trình sinh học. Các nhà hóa học hữu cơ truyền thống thường xem bất kỳ phân tử nào chứa C là hợp chất hữu cơ, và do đó, hóa học vô cơ được mặc định là nghiên cứu về các phân tử không chứa C.

Phân loại: Hợp chất vô cơ được chia thành bốn loại: oxit, axit, bazơ, muối.

Oxit là hợp chất gồm một nguyên tố kết hợp với một hoặc nhiều nguyên tử O. Oxit được chia thành bốn loại:

- Oxit axit: Là các oxit được tạo thành từ một nguyên tố phi kim với O và có một acid tương ứng.

Ví dụ: SO₂, CO₂,...

- Oxit bazơ: Là các oxit được tạo thành từ một nguyên tố kim loại với O và có một bazơ tương ứng.

VD: CaO, Fe₃O₄,...

- Oxit lưỡng tính: Là những oxit vừa có một acid tương ứng và vừa có một bazơ tương ứng.

VD: Al₂O₃, ZnO,...

- Oxit trung tính: Là những oxit không có acid hay bazơ nào tương ứng (còn gọi là oxit không tạo muối).

VD: CO, NO,...

Acid là những hợp chất hóa học được tạo thành từ phi kim hoặc oxit acid và có thể tan trong nước (ngoại trừ H₂SiO₃), được phân loại như sau:

- Acid được phân loại theo mức độ mạnh, yếu:

+ Acid mạnh: HCl, H₂SO₄, HNO₃, HClO₄, H₂SbF₇, ...

+ Acid yếu: HClO, H₂SO₃, H₂CO₃, ...

Base là những hợp chất hóa học được tạo thành từ các kim loại (đôi khi từ oxit base), được phân loại như sau:

- Base tan trong nước: LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH, Ca(OH)₂, Sr(OH)₂, Ba(OH)₂, N(CH₃)₄OH, NH_3(aq) (NH₄OH), ...

- Base không tan trong nước: Fe(OH)₂, Fe(OH)₃, Cu(OH)₂, Zn(OH)₂, Al(OH)₃, Mg(OH)₂, Be(OH)₂, C₆H₅NH₂, ...

Hợp chất hữu cơ

Hợp chất hữu cơ là một nhóm lớn các hợp chất hóa học mà phân tử của chúng chứa C, trừ các carbide, cacbonat, cacbon oxide (mônoxide và dioxide), xyanua. Sự nghiên cứu về các hợp chất hữu cơ được gọi là hóa hữu cơ. Rất nhiều hợp chất trong số này, như prôtêin, chất béo, và cacbohydrat (đường), có tầm quan trọng trong hóa sinh học.

Ví dụ: rượu, axit axetic,...

Liên kết và các lực

Các hợp chất được tổ chức với nhau thông qua nhiều loại liên kết và lực khác nhau. Sự khác biệt về các loại liên kết trong các hợp chất khác nhau dựa trên các loại nguyên tố có trong hợp chất.

Lực phân tán London là lực yếu nhất trong tất cả các lực liên phân tử. Chúng là các lực hấp dẫn tạm thời hình thành khi các electron trong hai nguyên tử liền kề được định vị sao cho chúng tạo ra một lưỡng cực tạm thời. Ngoài ra, các lực phân tán London chịu trách nhiệm ngưng tụ các chất không phân cực thành chất lỏng và tiếp tục đóng băng đến trạng thái rắn phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường thấp như thế nào.

Một liên kết cộng hóa trị, còn được gọi là liên kết phân tử, liên quan đến việc chia sẻ các electron giữa hai nguyên tử. Về cơ bản, loại liên kết này xảy ra giữa các nguyên tố gần nhau trên bảng tuần hoàn các nguyên tố, tuy nhiên nó được quan sát giữa một số kim loại và phi kim. Điều này là do cơ chế của loại trái phiếu này. Các nguyên tố nằm gần nhau trên bảng tuần hoàn có xu hướng có độ âm điện tương tự nhau, có nghĩa là chúng có ái lực tương tự với các điện tử. Do cả hai phần tử đều không có ái lực mạnh hơn để tặng hoặc thu được electron, nó khiến các phần tử chia sẻ electron để cả hai phần tử có octet ổn định hơn.

Liên kết ion xảy ra khi các electron hóa trị được chuyển hoàn toàn giữa các nguyên tố. Đối lập với liên kết cộng hóa trị, liên kết hóa học này tạo ra hai ion tích điện trái dấu. Các kim loại trong liên kết ion thường mất các electron hóa trị của chúng, trở thành một cation tích điện dương. Phi kim sẽ thu được các electron từ kim loại, làm cho phi kim trở thành một anion tích điện âm. Như đã phác thảo, liên kết ion xảy ra giữa một người cho điện tử, thường là kim loại và chất nhận điện tử, có xu hướng là một phi kim.

Liên kết hydro xảy ra khi một nguyên tử hydro liên kết với một nguyên tử có độ âm điện tạo thành một kết nối tĩnh điện với một nguyên tử có độ âm điện khác thông qua các lưỡng cực hoặc điện tích tương tác.

Phản ứng

Một hợp chất có thể được chuyển đổi thành một thành phần hóa học khác nhau bằng cách tương tác với một hợp chất hóa học thứ hai thông qua một phản ứng hóa học. Trong quá trình này, liên kết giữa các nguyên tử bị phá vỡ trong cả hai hợp chất tương tác, và sau đó liên kết được cải tổ để các liên kết mới được tạo ra giữa các nguyên tử. Theo sơ đồ, phản ứng này có thể được mô tả là AB + CD → AD + CB, trong đó A, B, C và D là mỗi nguyên tử duy nhất; và AB, AD, CD và CB là mỗi hợp chất duy nhất.