СОЕДИНЕ́НИЯ ВКЛЮЧЕ́НИЯ
-
Рубрика: Химия
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
Книжная версия:
Электронная версия:
СОЕДИНЕ́НИЯ ВКЛЮЧЕ́НИЯ (соединения «гость – хозяин»), кристаллич. или полукристаллич. вещества из двух или более компонентов, один из которых образует кристаллич. решётку с цилиндрич., двумерными или трёхмерными полостями, другие в виде молекул или ионов располагаются в этих полостях. Осн. элемент структуры «хозяина» неорганич. С. в. – молекулы, ковалентно связанные полиэдры MXn (M – центр. атом, X – лиганды) или ковалентно связанные атомы, которые образуют каркасы, слои или столбчатые структуры. С. в. разлагаются при нагревании.
Выделяют три вида С. в.: полостные («хозяин» имеет каркасную структуру с пустотами, у «гостя» нет степеней свободы перемещения), канальные («хозяин» имеет протяжённые пустоты, у «гостя» имеется одна поступат. степень свободы) и слоистые («хозяин» имеет слоистую структуру, у «гостя» имеются две поступат. степени свободы). С. в. первого типа называются клатратами (лат. сlatratus – замкнутый, окружённый со всех сторон), второго – тубулатоклатратами (лат. tubula – трубка), третьего – интеркалатами (от лат. intercalatus – вставленный, добавленный). При внедрении молекул или ионов «гостей» в двумерные (слоистые) структуры расстояния между слоями «хозяина» увеличиваются.
Клатраты подразделяются на молекулярные и клеточные. В молекулярных клатратах полость образована одной молекулой или несколькими связанными между собой молекулами. К ним относятся газовые гидраты, решётку которых образуют молекулы воды, а полости заполняют молекулы газов или легкокипящих жидкостей – O2, N2, Xe, Br2, Cl2, SF6, H2S, CH4, C3H8 и др. Среди органич. веществ распространённым «хозяином» является циклодекстрин, образующий за счёт водородных и гликозидных связей 6-, 7- или 8-звенные кольца. Клеточные клатраты содержат полиэдры или кластеры атомов. К ним относятся гексабориды металлов, соединения гидрохинона и др. Близкими веществами являются цеолиты. Клеточные клатраты существуют только в кристаллич. состоянии, молекулярные – также и в растворах. Канальные С. в. представлены оксидными бронзами и подобными им веществами, мочевиной и тиомочевиной. «Хозяин» образуется, напр., при соединении между собой нескольких групп MO6 (M – Mo, W и др.) в кольца, расположенные друг над другом и формирующие стенки пустых каналов, С. в. – при внедрении в каналы атомов др. элементов. Многие из таких неорганич. С. в. имеют металлич. блеск, интенсивную окраску и высокую электропроводность.
В интеркалатах «хозяин» сохраняет слоистую структуру, образованную сетками атомов или полиэдрами MXn. Слоистыми являются графит, дихалькогениды MX2 (\ce{M – Ti}, \ce{Zr}, \ce{Hf}, \ce{V}, \ce{Nb}, \ce{Ta}, \ce{Mo}, \ce{W}), некоторые оксиды, фосфаты, силикаты, алюмосиликаты, в т. ч. природные глины. Пластичность глин при размачивании связана с внедрением молекул воды между слоями.
Графит образует интеркалаты тремя путями: ковалентным связыванием электроотрицат. элементов с атомами углерода, переносом заряда от внедрённых веществ к слоям атомов углерода или в обратном направлении, переносом заряда от ковалентно связанных гетероатомных слоёв или к ним. Ковалентное связывание фтора даёт фториды графита \ce{C2F} и \ce{CF}. Cоединения с переносом заряда графит образует с акцепторами электронов (молекулы \ce{H2SO4}, \ce{Cl2}, \ce{AsF5}) или с донорами электронов (атомы щелочных, щёлочноземельных, РЗЭ). К интеркалатам относится гидросульфат графита \ce{C24+ (HSO_4)4- \cdot 2H2SO4}. Особенность графита – образование регулярно построенных С. в. даже при заполнении не всех межслоевых пространств. Выделяют вещества с разл. стадиями интеркалации, номер стадии соответствует числу слоёв графита между слоями интеркалата. Так, при интеркалации в графит атомов Li соединению первой стадии отвечает \ce{C6Li}, второй – \ce{C12Li}, третьей – \ce{C18Li} и т. д. Более крупные атомы \ce{K}, \ce{Rb} и \ce{Cs} на первой стадии дают \ce{C8M}, на последующих – \ce{C24M}, \ce{C36M} и т. д. Своеобразные С. в. образуют кристаллы фуллеренов.
С. в. используют в технике в перезаряжаемых литиевых источниках тока (\ce{Li}_x \ce{ Mn2O4}, \ce{Li}_x \ce{ CoO2}, \ce{LiFePO4} и др.), как аноды источников тока и твёрдые смазки (\ce{CF}_n), в качестве катализаторов и адсорбентов (цеолиты), наполнителей полимеров, химических сенсоров, для получения терморасширенного графита, графена и оксида графена. С. в. применяют в косметике, фармацевтике, пищевой промышленности, биотехнологии и медицине.