Войти
Неорганические соединения обладают большим разнообразием: . A:Диборан особенности необычное связывание. B:Хлорид цезия имеет архетипическую кристаллическую структуру. C:Fp2 представляет собой металлоорганический комплекс. D:Силикон. Диапазон применения составляет от грудных имплантатов до Silly Putty. E:Катализатор Граббса получил Нобелевскую премию 2005 года за его первооткрыватель. F:Цеолиты находят широкое применение в качестве молекулярных сит. G:Медь ( II) ацетат удивил теоретиков своим диамагнетизмом Неорганическая химия занимается синтезом и поведением неорганических и металлоорганические соединения. Эта область охватывает все химические соединения, за исключением множества органических соединений (соединения на основе углерода, обычно содержащие связи C-H), которые являются объектами органической химии. Различие между этими двумя дисциплинами далеко не абсолютное, поскольку есть много совпадений в субдисциплине металлоорганической химии. Он может применяться во всех областях химической промышленности, включая катализ, материаловедение, пигменты, поверхностно-активные вещества, покрытия, лекарства, топливо и сельское хозяйство.
Структура ионного каркаса в оксиде калия, K 2OМногие неорганические соединения представляют собой ионные соединения, состоящие из катионы и анионы, соединенные ионной связью. Примерами солей (которые являются ионными соединениями) являются хлорид магния MgCl 2, который состоит из катионов магния Mg и хлорид анионов Cl; или оксид натрия Na2O, который состоит из натрия катионов Na и оксида анионов O. В любой соли пропорции ионов таковы, что электрические заряды нейтрализуют наружу, так что основная масса электрически нейтральна. Ионы описываются их степенью окисления, и их легкость образования может быть выведена из потенциала ионизации (для катионов) или из сродства к электрону (анионы) родительских элементов.
Важными классами неорганических соединений являются оксиды, карбонаты, сульфаты и галогениды. Многие неорганические соединения характеризуются высокими температурами плавления. Неорганические соли обычно являются плохими проводниками в твердом состоянии. Другие важные особенности включают их высокую температуру плавления и легкость кристаллизации. Если одни соли (например, NaCl ) хорошо растворимы в воде, другие (например, FeS ) - нет.
Простейшая неорганическая реакция - это двойное вытеснение, когда при смешивании двух солей ионы меняются местами без изменения степени окисления. В окислительно-восстановительных реакциях степень окисления одного реагента, окислителя, понижается, а степень окисления другого реагента, восстановителя, повышается. Конечный результат - обмен электронами. Электронный обмен может происходить также косвенно, например, в батареях, ключевой концепции в электрохимии.
. Когда один реагент содержит атомы водорода, реакция может происходить путем обмена протонов в кислоте. -основная химия. В более общем определении любое химическое соединение, способное связываться с электронными парами, называется кислотой Льюиса ; и наоборот, любая молекула, которая имеет тенденцию отдавать электронную пару, называется основанием Льюиса. В качестве уточнения кислотно-основных взаимодействий теория HSAB учитывает поляризуемость и размер ионов.
Неорганические соединения встречаются в природе как минералы. Почва может содержать сульфид железа в виде пирита или сульфат кальция в виде гипса. Неорганические соединения также могут использоваться одновременно в качестве биомолекул : в качестве электролитов (хлорид натрия ), в накопителях энергии (АТФ ) или в строительстве (полифосфат остов в ДНК ).
Первым важным искусственным неорганическим соединением было нитрат аммония для удобрения почвы с помощью процесса Габера. Неорганические соединения синтезируются для использования в качестве катализаторов, таких как оксид ванадия (V) и хлорид титана (III), или в качестве реагентов в органическая химия, такая как литийалюмогидрид.
Подразделами неорганической химии являются металлоорганическая химия, кластерная химия и биоинорганическая химия. Эти области являются активными областями исследований в неорганической химии, направленными на новые катализаторы, сверхпроводники и терапии.
Неорганическая химия - это высокопрактическая область науки. Традиционно масштабы национальной экономики можно было оценить по их производству серной кислоты. 20 крупнейших неорганических химических веществ, производимых в Канаде, Китае, Европе, Индии, Японии и США (данные за 2005 год): сульфат алюминия, аммиак, нитрат аммония, сульфат аммония, технический углерод, хлор, соляная кислота, водород, перекись водорода, азотная кислота, азот, кислород, фосфорная кислота, карбонат натрия, натрий хлорат, гидроксид натрия, силикат натрия, сульфат натрия, серная кислота и диоксид титана.
Производство удобрений - еще одно практическое применение промышленной неорганической химии.
Описательная неорганическая химия фокусируется на классификации соединений на основе их свойств. Частично классификация ориентирована на положение в периодической таблице самого тяжелого элемента (элемента с наибольшим атомным весом) в соединении, частично путем группировки соединений по их структурному сходству.
Классификация неорганической химии:
EDTA хелатируют октаэдрически координированный ион Co в [Co (EDTA) ] Классические координационные соединения содержат металлы, связанные с «неподеленными парами » электронов, находящихся на атомах основной группы лигандов, таких как H 2 O, NH 3, Cl и CN. В современных координационных соединениях в качестве лигандов можно использовать почти все органические и неорганические соединения. «Металл» обычно представляет собой металл из групп 3-13, а также транс- лантаноиды и транс- актиноиды, но с определенной точки зрения все химические соединения могут быть описываются как координационные комплексы.
Стереохимия координационных комплексов может быть довольно богатой, на что указывает разделение Вернером двух энантиомеров из [Co ((OH) 2 Co ( NH 3)4)3], ранняя демонстрация того, что хиральность не присуща органическим соединениям. Актуальной темой в рамках этой специализации является супрамолекулярная координационная химия.
Тетранитрид тетрасеры, S 4N4, представляет собой соединение основной группы, которое продолжает интриговать химиков Эти соединения содержат элементы из группы I, II, III, IV, V, VI, VII, 0 (за исключением водорода) периодической таблицы Менделеева. Из-за их часто схожей реакционной способности элементы в группе 3 (Sc, Y и La ) и группа 12 (Zn, Cd и Hg ) также обычно включаются, и иногда также включаются лантаноиды и актиниды.
Соединения основной группы были известны с начала химии, например, элементарные сера и дистиллируемый белый фосфор. Эксперименты с кислородом O2, выполненные Лавуазье и Пристли не только идентифицировали важный двухатомный газ, но открыли путь для описания соединений и реакций в соответствии с стехиометрические соотношения. Открытие практического синтеза аммиака с использованием железных катализаторов Карлом Бошем и Фрицем Габером в начале 1900-х годов глубоко повлияло на человечество, продемонстрировав важность неорганического химического синтеза.. Типичными соединениями основной группы являются SiO 2, SnCl 4 и N 2 O. Многие соединения основной группы также можно классифицировать как «металлоорганические», поскольку они содержат органические группы, например B (CH3 )3). Соединения основной группы также встречаются в природе, например, фосфат в ДНК, и поэтому могут быть классифицированы как биоинорганические. И наоборот, органические соединения, лишенные (многих) водородных лигандов, можно классифицировать как «неорганические», такие как фуллерены, бакитубы и бинарные оксиды углерода.
Соединения, содержащие металлы с 4 по 11 группы, считаются переходными металлами. соединения. Соединения с металлом из группы 3 или 12 иногда также включаются в эту группу, но также часто классифицируются как соединения основной группы.
Соединения переходных металлов демонстрируют богатую координационную химию, варьирующуюся от тетраэдрической для титана (например, TiCl 4) до квадратно-планарной для некоторых комплексов никеля и октаэдрической для координационных комплексов кобальта. Ряд переходных металлов можно найти в биологически важных соединениях, таких как железо в гемоглобине.
Литийорганические реагенты чаще всего встречаются в полимерной форме, например н-бутиллитий показан здесь Обычно считается, что металлоорганические соединения содержат группу МСН. Металл (M) в этих разновидностях может быть элементом основной группы или переходным металлом. С практической точки зрения определение металлоорганического соединения более упрощено и включает также высоко липофильные комплексы, такие как карбонилы металлов и даже алкоксиды металлов.
Металлоорганические соединения в основном считаются особыми Эта категория связана с тем, что органические лиганды часто чувствительны к гидролизу или окислению, что требует, чтобы в металлоорганической химии использовались более специализированные препаративные методы, чем это было традиционно для комплексов типа Вернера. Синтетическая методология, особенно способность манипулировать комплексами в растворителях с низкой координирующей способностью, позволила исследовать очень слабо координирующие лиганды, такие как углеводороды, H 2 и N 2. Поскольку лиганды в некотором смысле являются нефтехимическими продуктами, область металлоорганической химии значительно выиграла от ее актуальности для промышленности.
Декаборан - сильно токсичное кластерное соединение бора 
кластеры железо-сера являются центральными компонентами железо-серных белков, необходимых для метаболизма человека . Кластеры можно найти во всех классах химических соединений. Согласно общепринятым По определению, кластер состоит как минимум из треугольного набора атомов, которые напрямую связаны друг с другом. Но диметаллические комплексы, связанные металл-металл, имеют большое значение для данной области. Кластеры встречаются в "чистых" неорганических системах, металлоорганической химии, химии основных групп и т.д. и биоинорганическая химия. Различие между очень большими кластерами и сыпучими веществами становится все более размытым. Этот интерфейс является химической основой нанонауки или нанотехнологии и, в частности, возникают в результате исследования квантовых размерных эффектов в кластерах селенида кадмия. Таким образом, большие кластеры можно описать как массив связанных атомов, промежуточных по характеру между молекулой и твердым телом.
Октаэдрический кобальт центр витамина B 12 По По определению, эти соединения встречаются в природе, но подполе включают антропогенные виды, такие как загрязнители (например, метилртуть ) и лекарственные препараты (например, цисплатин ). Область, которая включает многие аспекты биохимии, включает множество видов соединений, например фосфаты в ДНК, а также комплексы металлов, содержащие лиганды, которые варьируются от биологических макромолекул, обычно пептидов, до неопределенных видов, таких как как гуминовая кислота и вода (например, координированная с комплексами гадолиния, используемыми для MRI ). Традиционно биоинорганическая химия фокусируется на переносе электронов и энергии в белках, имеющих отношение к дыханию. Медицинская неорганическая химия включает изучение как несущественных, так и незаменимых элементов с приложениями для диагностики и лечения.
YBa 2Cu3O7 или YBCO, является высокотемпературным сверхпроводником . способен левитировать над магнитом, когда температура ниже его критической температуры, составляющей около 90 К (-183 ° C) Эта важная область фокусируется на структуре, склеивание и физические свойства материалов. На практике неорганическая химия твердого тела использует такие методы, как кристаллография, чтобы получить представление о свойствах, которые возникают в результате коллективных взаимодействий между субъединицами твердого тела. В химию твердого тела включаются металлы и их сплавы или интерметаллические производные. Связанные области: физика конденсированного состояния, минералогия и материаловедение.
Альтернативный взгляд на область неорганической химии начинается с модели Бора атома и с использованием инструментов и моделей теоретической химия и вычислительная химия расширяется до соединения простых, а затем и более сложных молекул. Точное квантово-механическое описание многоэлектронных частиц - область неорганической химии - сложно. Эта проблема породила множество полуколичественных или полуэмпирических подходов, включая теорию молекулярных орбиталей и теорию поля лигандов. Параллельно с этими теоретическими описаниями используются приблизительные методологии, включая теория функционала плотности.
Исключения из теорий, качественные и количественные, чрезвычайно важны в развитии этой области. Например, Cu2(OAc) 4(H2O)2 почти диамагнитен при температуре ниже комнатной, тогда как теория кристаллического поля предсказывает, что молекула будет иметь два неспаренных электрона. Несогласие между качественной теорией (парамагнетик) и наблюдением (диамагнетик) привело к развитию моделей «магнитной связи». Эти улучшенные модели привели к разработке новых магнитных материалов и новых технологий.
Теория кристаллического поля объясняет, почему [Fe (CN) 6] имеет только один неспаренный электрон Неорганическая химия сильно выиграла от качественных теорий. Такие теории легче изучать, поскольку они не требуют большого опыта в квантовой теории. Внутри соединений основной группы теория VSEPR надежно предсказывает или, по крайней мере, рационализирует структуры соединений основной группы, например, объяснение того, почему NH 3 является пирамидным. тогда как ClF 3 имеет Т-образную форму. Для переходных металлов теория кристаллического поля позволяет понять магнетизм многих простых комплексов, например, почему [Fe (CN) 6] имеет только один неспаренный электрон, тогда как [Fe (H 2O)6] имеет 5. Особенно эффективный качественный подход к оценке структуры и реакционной способности начинается с классификации молекул в соответствии с подсчетом электронов, уделяя особое внимание количеству валентных электронов, обычно центральный атом в молекуле.
Диоксид азота, NO 2, проявляет симметрию C2v Центральным конструктом в неорганической химии является Теория симметрии молекул. Математическая теория групп обеспечивает язык для описания форм молекул в соответствии с их точечной групповой симметрией. Теория групп также позволяет факторизовать и упрощать теоретические расчеты.
Спектроскопические особенности проанализированы и описаны с учетом свойств симметрии из, среди прочего, колебательных или электронных состояний. Знание свойств симметрии основного и возбужденного состояний позволяет прогнозировать числа и интенсивности поглощения в колебательных и электронных спектрах. Классическим применением теории групп является предсказание количества колебаний C-O в замещенных карбонильных комплексах металлов. Наиболее распространенные применения симметрии в спектроскопии включают колебательные и электронные спектры.
Теория групп подчеркивает общие черты и различия в связях между разными видами. Например, орбитали на основе металлов трансформируются одинаково для WF6 и W (CO) 6, но энергии и населенности этих орбиталей значительно различаются. Аналогичная взаимосвязь существует CO2 и молекулярный дифторид бериллия.
Альтернативный количественный подход к неорганической химии фокусируется на энергиях реакций. Этот подход очень традиционный и эмпирический, но он также полезен. Общие понятия, сформулированные в термодинамических терминах, включают окислительно-восстановительный потенциал, кислотность, фазовые изменения. Классической концепцией неорганической термодинамики является цикл Борна-Габера, который используется для оценки энергий элементарных процессов, таких как сродство к электрону, некоторые из которых нельзя наблюдать напрямую.
Важный аспект неорганической химии фокусируется на путях реакций, т.е. механизмах реакций.
Механизмы основных групповые соединения групп 13-18 обычно обсуждаются в контексте органической химии (в конце концов, органические соединения являются соединениями основной группы). Элементы тяжелее C, N, O и F часто образуют соединения с большим количеством электронов, чем предсказывает правило октетов, как объясняется в статье о гипервалентных молекулах. По этой причине механизмы их реакций отличаются от органических соединений. Элементы легче, чем углерод (B, Be, Li ), а также Al и Mg часто образуют электронодефицитные структуры, которые в электронном виде подобны карбокатионам. Такие электронодефицитные виды обычно реагируют ассоциативными путями. Химический состав лантаноидов отражает многие аспекты химии алюминия.
Соединения переходных металлов и основных групп часто реагируют по-разному. Важная роль d-орбиталей в связывании сильно влияет на пути и скорость замещения и диссоциации лиганда. Эти темы освещены в статьях по координационной химии и лиганду. Наблюдаются как ассоциативные, так и диссоциативные пути.
Всеобъемлющим аспектом механистической химии переходных металлов является кинетическая лабильность комплекса, иллюстрируемая обменом свободной и связанной воды в прототипных комплексах [M (H 2O)6]:
. Скорости водообмена варьируются на 20 порядков по периодической таблице, с комплексами лантаноидов на одном полюсе и Ir (III)
Для переходных элементов преобладают окислительно-восстановительные реакции. Рассматриваются два класса окислительно-восстановительных реакций: реакции с переносом атома, такие как окислительное присоединение / восстановительное отщепление и перенос электрона. Фундаментальная окислительно-восстановительная реакция - это «самообмен», который включает реакцию вырожденного между окислителем и восстановителем. Например, перманганат и его одноэлектронный восстановленный родственник манганат e x заменить один электрон:
Координированные лиганды проявляют реактивность, отличную от свободных лигандов. Например, кислотность аммиачных лигандов в [Co (NH 3)6] ) повышена по сравнению с самим NH 3. Алкены, связанные с катионами металлов, реактивны по отношению к нуклеофилам, тогда как алкены обычно не реагируют. большая и промышленно важная область катализа зависит от способности металлов изменять реакционную способность органических лигандов. Гомогенный катализ происходит в растворе, а гетерогенный катализ происходит, когда газообразные или растворенные субстраты взаимодействуют с поверхностями твердых тел. Традиционно гомогенный катализ считается частью металлоорганической химии, а гетерогенный катализ обсуждается в контексте науки о поверхности, раздела химии твердого тела. Но основные принципы неорганической химии те же. Переходные металлы почти уникальным образом реагируют с небольшими молекулами, такими как CO, H 2, O 2 и C 2H4. Промышленное значение этого сырья стимулирует активную область катализ. Лиганды также могут подвергаться реакциям переноса лиганда, таким как трансметаллирование.
Из-за разнообразия элементов и, соответственно, разнообразных свойств получаемых производных, неорганическая химия тесно связана со многими методы анализа. Более старые методы имели тенденцию исследовать объемные свойства, такие как электропроводность растворов, точки плавления, растворимость и кислотность. С появлением квантовой теории и соответствующим расширением электронной аппаратуры были введены новые инструменты для исследования электронных свойств неорганических молекул и твердых тел. Часто эти измерения дают представление о теоретических моделях. Например, измерения фотоэлектронного спектра метана продемонстрировали, что описание связи двухцентровыми двухэлектронными связями между углеродом и водородом предсказано с использованием теории валентной связи не подходит для простого описания процессов ионизации. Такое понимание привело к популяризации теории молекулярных орбиталей, поскольку полностью делокализованные орбитали являются более подходящим простым описанием удаления электронов и электронного возбуждения.
Обычно используемые методы:
Хотя некоторые неорганические частицы могут быть получены в чистом виде из природы, большинство из них синтезируется на химических заводах и в лаборатория.
Способы неорганического синтеза можно грубо классифицировать по летучести или растворимости составляющих реагентов. Растворимые неорганические соединения получают с использованием методов органического синтеза. Для металлосодержащих соединений, реактивных по отношению к воздуху, используются методы линии Шленка и перчаточного бокса. Работа с летучими соединениями и газами осуществляется в «вакуумных коллекторах», состоящих из стеклянных трубопроводов, соединенных между собой через клапаны, из которых можно полностью откачать до 0,001 мм рт. Соединения конденсируют с использованием жидкого азота (точка кипения 78К) или других криогенов. Твердые вещества обычно готовят с использованием трубчатых печей, реагенты и продукты запечатывают в контейнеры, часто сделанные из плавленого кварца (аморфный SiO 2), но иногда и из более специализированных материалов, таких как сварные трубы из Та или Pt «лодочки». Продукты и реагенты транспортируются между температурными зонами для запуска реакций.
 | На Викиверситет вы можете узнать больше и рассказать другим о неорганической химии на Кафедра неорганической химии |
