Соединения включения

Соедине́ния включе́ния (соединения «гость – хозяин»), кристаллические или полукристаллические вещества из двух или более компонентов, один из которых образует кристаллическую решётку с цилиндрическими, двумерными или трёхмерными полостями, другие в виде молекул или ионов располагаются в этих полостях. Основной элемент структуры «хозяина» неорганических соединений включения – молекулы, ковалентно связанные полиэдры MX_n (M – центральный атом, X – лиганды) или ковалентно связанные атомы, которые образуют каркасы, слои или столбчатые структуры. Соединения включения разлагаются при нагревании.

Выделяют 3 вида соединений включения: полостные («хозяин» имеет каркасную структуру с пустотами, у «гостя» нет степеней свободы перемещения), канальные («хозяин» имеет протяжённые пустоты, у «гостя» имеется одна поступательная степень свободы) и слоистые («хозяин» имеет слоистую структуру, у «гостя» имеются две поступательные степени свободы). Соединения включения 1-го типа называются клатратами (лат. сlatratus – замкнутый, окружённый со всех сторон), 2-го – тубулатоклатратами (лат. tubula – трубка), 3-го – 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 данному типу относятся газовые гидраты, решётку которых образуют молекулы воды, а полости заполняют молекулы газов или легкокипящих жидкостей: O₂ , N₂ , Xe, Br₂ , Cl₂ , SF₆ , H₂ S, CH₄ , C₃ H₈ и др. Среди органических веществ распространённым «хозяином» является циклодекстрин, образующий за счёт водородных и гликозидных связей шести-, семи- или восьмизвенные кольца. Клеточные клатраты содержат полиэдры или кластеры атомов. К этому типу относятся гексабориды металлов, соединения гидрохинона и др. Близкими веществами являются цеолиты. Клеточные клатраты существуют только в кристаллическом состоянии, молекулярные – также и в растворах. Канальные соединения включения представлены оксидными бронзами и подобными им веществами, мочевиной и тиомочевиной. «Хозяин» образуется, например, при соединении между собой нескольких групп MO₆ (M – Mo, W и др.) в кольца, расположенные друг над другом и формирующие стенки пустых каналов, соединения включения – при внедрении в каналы атомов других элементов. Многие из таких неорганических соединений включения имеют металлический блеск, интенсивную окраску и высокую электропроводность.

В интеркалатах «хозяин» сохраняет слоистую структуру, образованную сетками атомов или полиэдрами MX_n . Слоистыми являются графит, дихалькогениды MX₂ (M – Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W), некоторые оксиды, фосфаты, силикаты, алюмосиликаты, в том числе природные глины. Пластичность глин при размачивании связана с внедрением молекул воды между слоями.

Графит образует интеркалаты тремя путями: ковалентным связыванием электроотрицательных 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 C₂ F и CF. Cоединения с переносом заряда графит образует с акцепторами электронов (молекулы H₂ SO₄ , Cl₂ , AsF₅ ) или с донорами электронов (атомы щелочных, щёлочноземельных, редкоземельных элементов). К интеркалатам относится гидросульфат графита C₂₄ ⁺ (HSO₄ )^– ·2H₂ SO₄ . Особенность графита – образование регулярно построенных соединений включения даже при заполнении не всех межслоевых пространств. Выделяют вещества с различными стадиями интеркалации; номер стадии соответствует числу слоёв графита между слоями интеркалата. Так, при интеркалации в графит атомов Li соединению первой стадии отвечает C₆ Li, второй – C₁₂ Li, третьей – C₁₈ Li и т. д. Более крупные атомы – K, Rb и Cs – на первой стадии дают C₈ M, на последующих – C₂₄ M, C₃₆ M и т. д. Своеобразные соединения включения образуют кристаллы фуллеренов.

Соединения включения используют в перезаряжаемых литиевых источниках тока (Li_x Mn₂ O₄ , Li_x CoO₂ , LiFePO₄ и др.) в технике, как аноды источников тока и твёрдые смазки (CF_n ), в качестве катализаторов и адсорбентов (цеолиты), наполнителей полимеров, химических сенсоров, для получения терморасширенного графита, графена и оксида графена. Также их применяют в косметике, фармацевтике, пищевой промышленности, биотехнологии и медицине.