Химияда катенация – бір элемент атомдарының тізбек немесе сақина құрауы. Көміртегінде жақсы дамиды, органикалық қосылыстардың көп болуын қамтамасыз етеді.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Бір элементтің атомдарын тізбекке немесе сақинаға біріктіру.
Bonding of atoms of the same element into chains or rings
Химияда катенация – бір элементтің атомдарын тізбек деп аталатын қатарға біріктіру. Тізбек немесе сақина пішіні ұштары бір-бірімен байланыспаса ашық (ашық тізбекті қосылыс) немесе ұштары сақина түзе байланысқан болса жабық (циклдік қосылыс) болуы мүмкін. "Catenate" және "катенация" сөздері латын тіліндегі "catena" – "тізбек" сөзінен шыққан.
In chemistry, catenation is the bonding of atoms of the same element into a series, called a chain. A chain or a ring shape may be open if its ends are not bonded to each other (an open chain compound), or closed if they are bonded in a ring (a cyclic compound). The words to catenate and catenation reflect the Latin root catena, "chain".
Көміртек
Катенация көміртекпен ең оңай жүреді, ол басқа көміртек атомдарымен ковалентті байланыстар құрып, ұзын тізбектер мен құрылымдар жасайды. Табиғаттағы органикалық қосылыстардың көптігінің себебі де осы. Көміртек ең танымал катенация қасиеттерімен белгілі, ал органикалық химия негізінен катенацияланған көміртек құрылымдарын зерттейді (бұл құрылымдар катена деп аталады). Биохимиядағы көміртек тізбектері көміртектің негізіне сутек, оттегі және биометалдар сияқты әртүрлі элементтерді қосады. Дегенмен, көміртек мұндай тізбектерді құрайтын жалғыз элемент емес, сондай-ақ сутек, бор, кремний, фосфор, күкірт және галогендер сияқты бірнеше басқа да негізгі топ элементтері кең ауқымды тізбектер құруға қабілетті. Элементтің катенацияға қабілеті негізінен оның өзімен байланысу энергиясына байланысты, бұл энергия орбитальдардың кеңірек таралуымен (жоғары азимутальдық кванттық санмен) байланысқан кезде төмендейді. Сондықтан, ең аз кеңейген валентті қабық p орбиталы бар көміртек, жоғары валентті қабық орбиталдары арқылы байланысатын ауыр элементтерге қарағанда, ұзақ p-p сигма байланысқан атомдар тізбектерін құра алады. Катенация қабілетіне стерикалық және электрондық факторлар да әсер етеді, оның ішінде элементтің электронегативтілігі, молекулалық орбиталь n және ковалентті байланыстардың әртүрлі түрлерін құру қабілеті. Көміртек үшін, жақын атомдар арасындағы сигма байланысы жеткілікті түрде күшті, сондықтан толыққанды тұрақты тізбектер қалыптасады. Бұрын басқа элементтер үшін мұның өте қиын деп есептелген, бірақ оған қарсы көптеген дәлелдер бар.
Catenation occurs most readily with carbon, which forms covalent bonds with other carbon atoms to form longer chains and structures. This is the reason for the presence of the vast number of organic compounds in nature. Carbon is most well known for its properties of catenation, with organic chemistry essentially being the study of catenated carbon structures (and known as catenae). Carbon chains in biochemistry combine any of various other elements, such as hydrogen, oxygen, and biometals, onto the backbone of carbon. However, carbon is by no means the only element capable of forming such catenae, and several other main group elements are capable of forming an expansive range of catenae, including hydrogen, boron, silicon, phosphorus, sulfur and halogens. The ability of an element to catenate is primarily based on the bond energy of the element to itself, which decreases with more diffuse orbitals (those with higher azimuthal quantum number) overlapping to form the bond. Hence, carbon, with the least diffuse valence shell p orbital is capable of forming longer p p sigma bonded chains of atoms than heavier elements which bond via higher valence shell orbitals. Catenation ability is also influenced by a range of steric and electronic factors, including the electronegativity of the element in question, the molecular orbital n and the ability to form different kinds of covalent bonds. For carbon, the sigma overlap between adjacent atoms is sufficiently strong that perfectly stable chains can be formed. With other elements this was once thought to be extremely difficult in spite of plenty of evidence to the contrary.
Сутек
Судың құрылымы туралы теориялар үш өлшемді тетраэдрлер желісін, тізбектер мен сақиналарды қамтиды, олар сутекті байланыстар арқылы байланысқан. 2008 жылы металл үлгісінде жасалған жарты шарлардың сутекті байланыстар арқылы байланысқан сақиналары бар поликеттенді желі туралы хабарланды. Органикалық химияда сутекті байланыстар тізбекті құрылымдардың қалыптасуына көмектеседі. Мысалы, C10H16O трицикланолында гидроксилдік топтар арасында тізбектелген сутекті байланыстар болады, бұл спираль тәрізді тізбектердің пайда болуына әкеледі; кристалдық изофталь қышқылы C8H6O4 сутекті байланыстармен байланысқан молекулалардан тұрады, осылайша шексіз тізбектер құрайды. Ерекше жағдайларда, бір қабырғалы көміртекті нанотүтікшеге сығысылған сутегі молекулаларының бір өлшемді тізбегі 163,5 ГПа салыстырмалы түрде төмен қысымда металлға айналуы күтіледі. Бұл қарапайым сутекті металлға айналдыру үшін қажет деп есептелетін ~400 ГПа-ның шамамен 40% құрайды, және осы қысымға тәжірибе жүзінде қол жеткізу қиын.
Theories of the structure of water involve three dimensional networks of tetrahedra and chains and rings, linked via hydrogen bonding. A polycatenated network, with rings formed from metal templated hemispheres linked by hydrogen bonds, was reported in 2008. In organic chemistry, hydrogen bonding is known to facilitate the formation of chain structures. 4 tricyclanol C10H16O, for example, shows catenated hydrogen bonding between the hydroxyl groups, leading to the formation of helical chains; crystalline isophthalic acid C8H6O4 is built up from molecules connected by hydrogen bonds, forming infinite chains. In unusual conditions, a 1 dimensional series of hydrogen molecules confined within a single wall carbon nanotube is expected to become metallic at a relatively low pressure of 163.5 GPa. This is about 40% of the ~400 GPa thought to be required to metallize ordinary hydrogen, a pressure which is difficult to access experimentally.
Кремний
Кремний басқа кремний атомдарына сигма байланысын түзе алады (және дисилан осы қосылыстар класының негізгі өкілі болып табылады). Дегенмен, n саны 8-ден асатын SinH2n+2 (қаныққан алкан көмірсутектеріне ұқсас) дайындау және бөліп алу қиын, себебі кремний атомдарының саны арта келе олардың жылулық тұрақтылығы төмендейді. Дисиланнан молекулалық массасы жоғары силандар полимерлі поликремний гидриді мен сутекке ыдырайды. Бірақ әрбір кремний атомындағы сутектің орнына органикалық топтардың тиісті жұбын қойса, алкандардың аналогтары болып табылатын полисиландарды (кейде жаңылысқанда полисилендер деп атайды) дайындауға болады. Бұл ұзын тізбекті қосылыстардың таңғажайып электрондық қасиеттері бар – мысалы, тізбектегі электрондардың сигма-делокализациясынан туындайтын жоғары электр өткізгіштігі. Кремний-кремний пі байланыстары да болуы мүмкін. Алайда, бұл байланыстар көміртек аналогтарына қарағанда аз тұрақты. Дисилан және одан ұзын силандар алкандарға қарағанда әлдеқайда реактивті. Дизилен мен дизилиндер алкендер мен алкиндерге қарағанда сирек кездеседі. 2004 жылы оқшаулауға тым тұрақсыз деп есептелген дизилиндердің мысалдары жарияланды.
Silicon can form sigma bonds to other silicon atoms (and disilane is the parent of this class of compounds). However, it is difficult to prepare and isolate SinH2n+2 (analogous to the saturated alkane hydrocarbons) with n greater than about 8, as their thermal stability decreases with increases in the number of silicon atoms. Silanes higher in molecular weight than disilane decompose to polymeric polysilicon hydride and hydrogen. But with a suitable pair of organic substituents in place of hydrogen on each silicon it is possible to prepare polysilanes (sometimes, erroneously called polysilenes) that are analogues of alkanes. These long chain compounds have surprising electronic properties high electrical conductivity, for example arising from sigma delocalization of the electrons in the chain. Even silicon–silicon pi bonds are possible. However, these bonds are less stable than the carbon analogues. Disilane and longer silanes are quite reactive compared to alkanes. Disilene and disilynes are quite rare, unlike alkenes and alkynes. Examples of disilynes, long thought to be too unstable to be isolated were reported in 2004.
Борон
Додекаборат(12) анионында он екі борон атомы ковалентті байланыс арқылы бір-біріне қосылып, икосаэдрлік құрылымды қалыптастырады. Борандар, карборандар және металл дикарболидтері сияқты басқа да түрлі ұқсас мотивтер де жақсы зерттелген.
In dodecaborate(12) anion, twelve boron atoms covalently link to each other to form an icosahedral structure. Various other similar motifs are also well studied, such as boranes, carboranes and metal dicarbollides.
Азот
Азот, көршісі көміртекке қарағанда, бөлме температурасында тұрақты тізбектер құруға бейім емес. Мысалдарына қатты азот, триазан, азид анионы және триазольдар жатады. Тіпті сегіз немесе одан да көп азот атомдарынан тұратын ұзын тізбектер, мысалы 1,1' Азобис 1,2,3 триазолы синтезделген. Бұл қосылыстар үлкен мөлшерде энергияны сақтаудың ыңғайлы жолы ретінде пайдаланылуы мүмкін.
Nitrogen, unlike its neighbor carbon, is much less likely to form chains that are stable at room temperature. Some examples of which are solid nitrogen, triazane, azide anion and triazoles. Even longer series with eight nitrogen atoms or more, such as 1,1' Azobis 1,2,3 triazole, have been synthesized. These compounds have potential use as a convenient way to store large amount of energy.
Фосфор
Фосфор тізбектері (органикалық топтармен) дайындалды, бірақ олардың бұзылуға бейімділігі жоғары. Шағын сақиналар немесе кластерлер көбірек таралған.
Phosphorus chains (with organic substituents) have been prepared, although these tend to be quite fragile. Small rings or clusters are more common.
Күкірт
Элементар күкірттің жан-жақты химиялық қасиеттері негізінен катенацияға байланысты. Табиғатта күкірт S8 молекулалары түрінде кездеседі. Қыздырғанда бұл сақиналар ашылып, бірігіп, тізбектердің ұзаруымен тұтқырлығы артады. Сондай-ақ, күкірт поликациялары, күкірт полианиондары (полисульфидтер) және төменгі күкірт оксидтері де белгілі. Бұдан өзге, селен мен теллур да осы құрылымдық элементтердің түрлерін көрсетеді.
The versatile chemistry of elemental sulfur is largely due to catenation. In the native state, sulfur exists as S8 molecules. On heating these rings open and link together giving rise to increasingly long chains, as evidenced by the progressive increase in viscosity as the chains lengthen. Also, sulfur polycations, sulfur polyanions (polysulfides) and lower sulfur oxides are all known. Furthermore, selenium and tellurium show variants of these structural motifs.
Жарты металл элементтері
Соңғы жылдары кремний, германий, мырыш, сурьма, висмут сияқты жартылай металл элементтер арасындағы әр түрлі қос және үш байланыстар туралы хабарланды. Кейбір негізгі топ элементтерінің тізбектелу қабілеті қазіргі уақытта бейорганикалық полимерлерді зерттеу нысаны болып табылады.
In recent years a variety of double and triple bonds between the semi metallic elements have been reported, including silicon, germanium, arsenic, bismuth and so on. The ability of certain main group elements to catenate is currently the subject of research into inorganic polymers.
Галоген элементтері
Фтордан басқа, төмен температурада ғана тұрақсыз полифторлы қосылыстар түзіледі, ал қалған тұрақты галогендер (Cl, Br, I) бөлме температурасында тұрақты бірнеше изополигалоген аниондарын түзіп алады, олардың ең айқын мысалы – трийодид. Бұл аниондардың барлығында бір элементтің галоген атомдары өзара байланысады.
Except for fluorine that can only form unstable polyfluorides at low temperature, all other stable halogens (Cl, Br, I) can form several isopolyhalogen anions that are stable at room temperature, of which the most prominent example being triiodide. In all these anions, the halogen atoms of the same element bond to each other.