✖


Jump to content

Неорганическая химия

Информацию о журнале см. Неорганическая химия (журнал) .
Строение ионного каркаса в оксиде калия , K 2 O

Неорганическая химия занимается синтезом и поведением неорганических и металлоорганических соединений. Эта область охватывает химические соединения , не содержащие углерода, которые являются предметом органической химии . Различие между этими двумя дисциплинами далеко не абсолютное, поскольку в рамках дисциплины металлоорганической химии существует много совпадений . Он находит применение во всех аспектах химической промышленности, включая катализ , материаловедение , пигменты , поверхностно-активные вещества , покрытия , лекарства , топливо и сельское хозяйство . [1]

Происшествие [ править ]

Многие неорганические соединения встречаются в природе в виде минералов . [2] Почва может содержать сульфид железа в виде пирита или сульфат кальция в виде гипса . [3] [4] Неорганические соединения также выполняют многозадачные функции в качестве биомолекул : в качестве электролитов ( хлорид натрия ), в качестве накопителя энергии ( АТФ ) или в строительстве ( полифосфатный остов ДНК ).

Связывание [ править ]

Неорганические соединения проявляют ряд связующих свойств. Некоторые из них представляют собой ионные соединения , состоящие из очень простых катионов и анионов, соединенных ионной связью . Примерами солей (которые являются ионными соединениями) являются хлорид магния MgCl 2 , который состоит из магния Mg. катионов 2+ и хлорид- анионы Cl − ; или гидроксид натрия NaOH, который состоит из натрия Na катионов + и гидроксид- анионы OH − . Некоторые неорганические соединения обладают высокой ковалентностью, например диоксид серы и пентакарбонил железа . Многие неорганические соединения имеют полярную ковалентную связь, которая представляет собой промежуточную форму связи между ковалентной и ионной связью. Это описание применимо ко многим оксидам , карбонатам и галогенидам . Многие неорганические соединения характеризуются высокими температурами плавления . Некоторые соли (например, NaCl ) хорошо растворимы в воде.

Когда один реагент содержит атомы водорода, реакция может происходить путем обмена протонами в кислотно-щелочной химии . 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 . [5] В качестве уточнения кислотно-основных взаимодействий теория HSAB учитывает поляризуемость и размер ионов.

Подразделы неорганической химии [ править ]

Подразделы неорганической химии многочисленны, но включают:

Промышленная неорганическая химия [ править ]

Неорганическая химия – весьма практическая область науки. Традиционно масштаб экономики страны можно было оценить по производству серной кислоты .

Важным искусственным неорганическим соединением является нитрат аммония , используемый для внесения удобрений. Аммиак производится посредством процесса Габера . [6] [7] [8] Азотную кислоту получают из аммиака окислением. Еще одним крупномасштабным неорганическим материалом является портландцемент . используются неорганические соединения В качестве катализаторов , такие как оксид ванадия (V) для окисления диоксида серы и хлорид титана (III) для полимеризации алкенов . Многие неорганические соединения используются в качестве реагентов в органической химии, например, литийалюминийгидрид . [ нужна ссылка ]

Описательная неорганическая химия [ править ]

Описательная неорганическая химия фокусируется на классификации соединений на основе их свойств. Частично классификация фокусируется на положении в периодической таблице самого тяжелого элемента (элемента с наибольшим атомным весом) в соединении, частично путем группировки соединений по их структурному сходству.

Координационные соединения [ править ]

ЭДТА хелатирует октаэдрически координированный Co. 3+ ион в [Co(EDTA)] −
Основная статья: Координационная химия

В классических координационных соединениях металлы связаны 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 могут использоваться практически все органические и неорганические соединения. «Металлом» обычно является металл из групп 3–13, а также транс - лантаниды и транс - актиниды , но с определенной точки зрения все химические соединения можно описать как координационные комплексы.

Стереохимия координационных комплексов может быть весьма богатой, на что указывает разделение Вернером двух [ энантиомеров Co((OH) 2 Co(NH 3 ) 4 ) 3 ] 6+ , ранняя демонстрация того, что хиральность не присуща органическим соединениям. Актуальной темой в рамках этой специализации является супрамолекулярная координационная химия. [9]

Координационные соединения демонстрируют богатое разнообразие структур: от тетраэдрической для титана (например, TiCl 4 ) до плоскоквадратной для некоторых комплексов никеля и октаэдрической для координационных комплексов кобальта. Ряд переходных металлов можно найти в биологически важных соединениях, таких как железо в гемоглобине.

Соединения основной группы [ править ]

Тетранитрид тетрасеры , S 4 N 4 , представляет собой соединение основной группы, которое продолжает интриговать химиков.

Эти виды содержат элементы из групп I, II, III, IV, V, VI, VII, 0 (исключая водород) таблицы Менделеева. Из-за часто схожей реакционной способности элементы группы 3 ( Sc , Y и La ) и группы 12 ( Zn , Cd и Hg ) также обычно включаются, а лантаноиды и актиниды . иногда также включаются [10]

Соединения основной группы были известны с зарождения химии, например, элементарная сера и перегоняемый белый фосфор . с кислородом O 2 Эксперименты Лавуазье газ, но и открыли и Пристли не только выявили важный двухатомный путь для описания соединений и реакций в соответствии со стехиометрическими соотношениями. Открытие в начале 1900-х годов практического синтеза аммиака с использованием железных катализаторов Карлом Бошем и Фрицем Габером глубоко повлияло на человечество, продемонстрировав значение 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( CH 3 ) 3 ). Соединения основной группы также встречаются в природе, например фосфаты в ДНК , и поэтому могут быть классифицированы как бионеорганические. И наоборот, органические соединения, лишенные (многих) водородных лигандов, можно классифицировать как «неорганические», такие как фуллерены, бакитрубки и бинарные оксиды углерода.

Соединения благородных газов включают несколько производных ксенона и криптона .

Металлоорганические соединения [ править ]

Литийорганические реагенты чаще всего встречаются в полимерной форме, например, н -бутиллитий. показанный здесь
Основная статья: Металлоорганическая химия

Обычно считается, что металлоорганические соединения содержат группу MCH. [11] Металл (М) в этих видах может быть либо элементом основной группы, либо переходным металлом. С практической точки зрения определение металлоорганического соединения является более мягким и включает также высоколипофильные комплексы , такие как карбонилы металлов и даже алкоксиды металлов .

Металлоорганические соединения в основном считаются особой категорией, поскольку органические лиганды часто чувствительны к гидролизу или окислению, что требует использования в металлоорганической химии более специализированных препаративных методов, чем это было традиционно в комплексах 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 получила большую выгоду от ее актуальности для промышленности.

Кластерные соединения [ править ]

Декаборан — сильнотоксичное кластерное соединение бора .
Кластеры железо-сера являются центральными компонентами железо-серных белков , необходимых для метаболизма человека.
Основная статья: Кластерное соединение

Кластеры можно найти во всех классах химических соединений . Согласно общепринятому определению, кластер состоит как минимум из треугольного набора атомов, непосредственно связанных друг с другом. Но диметаллические комплексы, связанные металл-металл, весьма актуальны для этой области. Кластеры встречаются в «чистых» неорганических системах, металлоорганической химии, химии основной группы и бионеорганической химии. Различие между очень большими кластерами и сыпучими твердыми веществами становится все более размытым. Этот интерфейс является химической основой нанонауки или нанотехнологий и, в частности, возникает в результате изучения квантово-размерных эффектов в селенида кадмия кластерах . Таким образом, большие кластеры можно описать как массив связанных атомов, промежуточных по характеру между молекулой и твердым телом.

Бионеорганические соединения [ править ]

Октаэдрический кобальтовый центр витамина B12 .
Основная статья: Бионеорганическая химия
Смотрите также: Биоорганометаллическая химия.

По определению, эти соединения встречаются в природе, но подполе включает антропогенные виды, такие как загрязнители (например, метилртуть ) и лекарства (например, цисплатин ). [12] Эта область, которая включает в себя многие аспекты биохимии, включает в себя множество видов соединений, например, фосфаты в ДНК, а также комплексы металлов, содержащие лиганды, которые варьируются от биологических макромолекул, обычно пептидов , до плохо определенных видов, таких как гуминовые кислоты , и вода (например, связанная с комплексами гадолиния , используемыми для МРТ ). Традиционно бионеорганическая химия фокусируется на переносе электронов и энергии в белках, связанных с дыханием. Медицинская неорганическая химия включает изучение как несущественных, так и незаменимых элементов с применением в диагностике и терапии.

Твердотельные соединения [ править ]

Основная статья: химия твердого тела
YBa 2 Cu 3 O 7 , или YBCO, представляет собой высокотемпературный сверхпроводник , способный левитировать над магнитом, когда температура ниже его критической температуры около 90 К (-183 ° C).

Эта важная область фокусируется на структуре , [13] связь и физические свойства материалов. На практике неорганическая химия твердого тела использует такие методы, как кристаллография, чтобы понять свойства, возникающие в результате коллективных взаимодействий между субъединицами твердого тела. В химию твердого тела входят металлы и их сплавы или интерметаллические производные. Смежными областями являются физика конденсированного состояния , минералогия и материаловедение .

Спектроскопия и магнетизм [ править ]

В отличие от большинства органических соединений , многие неорганические соединения обладают магнитными свойствами и/или окрашены. Эти свойства предоставляют информацию о связях и структуре. Магнетизм неорганических соединений может быть сложным. Например, большинство соединений меди (II) парамагнитны, но Cu II 2 (OAc) 4 (H 2 O) 2 при температуре ниже комнатной почти диамагнитен. Объяснение связано с магнитной связью между парами центров Cu(II) в ацетате.

теории Качественные ​ ​

Теория кристаллического поля объясняет, почему [Fe III (CN) 6 ] 3− имеет только один неспаренный электрон

Неорганическая химия получила большую пользу от качественных теорий. Такие теории легче изучить, поскольку они не требуют особых знаний в квантовой теории. Что касается соединений основной группы, теория VSEPR убедительно предсказывает или, по крайней мере, рационализирует структуры соединений основной группы, например, объясняет, почему NH 3 имеет пирамидальную форму, тогда как ClF 3 имеет Т-образную форму. Что касается переходных металлов, теория кристаллического поля позволяет понять магнетизм многих простых комплексов, например, почему [Fe III (CN) 6 ] 3− имеет только один неспаренный электрон, тогда как [Fe III (Н 2 О) 6 ] 3+ имеет пять. Особенно мощный качественный подход к оценке структуры и реакционной способности начинается с классификации молекул в соответствии с подсчетом электронов , уделяя особое внимание количеству валентных электронов , обычно у центрального атома молекулы. [ нужна ссылка ]

Теория молекулярной групп симметрии

Диоксид азота NO 2 проявляет C 2v. симметрию

Понятием в химии является молекулярная симметрия , воплощенная в теории групп . Неорганические соединения обладают особенно разнообразной симметрией, поэтому логично, что теория групп тесно связана с неорганической химией. [14] Теория групп предоставляет язык для описания форм молекул в соответствии с симметрией их точечной группы . Теория групп также обеспечивает факторизацию и упрощение теоретических расчетов.

Спектроскопические особенности анализируются и описываются с учетом свойств симметрии, в частности , колебательных или электронных состояний. Знание свойств симметрии основного и возбужденного состояний позволяет прогнозировать количество и интенсивность поглощений в колебательных и электронных спектрах. Классическим применением теории групп является предсказание количества колебаний CO в карбонильных комплексах замещенных металлов. Наиболее распространенные применения симметрии в спектроскопии включают колебательные и электронные спектры.

Теория групп подчеркивает сходства и различия в связях совершенно разных видов. Например, орбитали на основе металлов трансформируются одинаково для WF 6 и W(CO) 6 , но энергии и населенности этих орбиталей существенно различаются. Аналогичная связь существует с CO 2 и молекулярным дифторидом бериллия .

Термодинамика и неорганическая химия [ править ]

Альтернативный количественный подход к неорганической химии фокусируется на энергиях реакций. Этот подход является весьма традиционным и эмпирическим , но он также полезен. Широкие понятия, выраженные 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 невозможно наблюдать напрямую.

Механистическая неорганическая химия [ править ]

Важный аспект неорганической химии сосредоточен на путях реакций, то есть механизмах реакций .

Элементы основной группы и лантаноиды [ править ]

Механизмы действия соединений основной группы 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 октета , как объяснено в статье о гипервалентных молекулах. По этой причине механизмы их реакций отличаются от органических соединений. Элементы легче углерода ( B , Be , Li ), а также Al и Mg часто образуют электронодефицитные структуры, электронно близкие к карбокатионам . Такие электронодефицитные виды склонны реагировать по ассоциативным путям. Химический состав лантаноидов отражает многие аспекты химии алюминия.

Комплексы переходных металлов [ править ]

Соединения переходных металлов и основной группы часто реагируют по-разному. [15] Важная роль d-орбиталей в связывании сильно влияет на пути и скорость замещения и диссоциации лигандов. Эти темы освещены в статьях по координационной химии и лигандам . Наблюдаются как ассоциативные, так и диссоциативные пути.

Главным аспектом механистической химии переходных металлов является кинетическая лабильность комплекса, иллюстрируемая обменом свободной и связанной воды в прототипных комплексах [M(H 2 O) 6 ] п+ :

[М(Н 2 О) 6 ] п+ + 6 Н 2 О* → [М(Н 2 О*) 6 ] п+ + 6 Н 2 О
где H 2 O* обозначает изотопно- обогащенную воду, например H 2 17 ТО

Скорость водообмена в периодической таблице варьируется на 20 порядков, при этом комплексы лантаноидов находятся на одном полюсе, а виды Ir (III) являются самыми медленными.

Окислительно-восстановительные реакции [ править ]

Для переходных элементов преобладают окислительно-восстановительные реакции. Рассмотрены два класса окислительно-восстановительных реакций: реакции переноса атома, такие как окислительное присоединение/восстановительное отщепление, и перенос электрона . Фундаментальной окислительно-восстановительной реакцией является «самообмен», который включает в себя вырожденную реакцию между окислителем и восстановителем. Например, перманганат и его одноэлектронно восстановленный относительный манганат обменивают один электрон:

[МnО 4 ] − + [Mn*O 4 ] 2− → [MnO 4 ] 2− + [Mn*O 4 ] −

Реакции на лигандах [ править ]

Координированные лиганды проявляют реакционную способность, отличную от свободных лигандов. Например, кислотность аммиачных лигандов в [Co(NH 3 ) 6 ] 3+ повышен относительно самого NH 3 . Алкены, связанные с катионами металлов, реакционноспособны по отношению к нуклеофилам, тогда как алкены обычно этого не делают. Большая и промышленно важная область катализа зависит от способности металлов изменять реакционную способность органических лигандов. Гомогенный катализ происходит в растворе, а гетерогенный катализ происходит при взаимодействии газообразных или растворенных субстратов 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 одни и те же. Переходные металлы почти однозначно реагируют с небольшими молекулами, такими как CO, H 2 , O 2 и C 2 H 4 . Промышленное значение этого сырья стимулирует активную область катализа. Лиганды также могут подвергаться реакциям переноса лиганда, таким как трансметаллирование .

Характеристика неорганических соединений [ править ]

Из-за разнообразия набора элементов и соответственно разнообразных свойств образующихся производных неорганическая химия тесно связана со многими методами анализа. Старые методы, как правило, исследовали объемные свойства, такие как электропроводность растворов, точки плавления , растворимость и кислотность . С появлением квантовой теории и соответствующим расширением электронной аппаратуры появились новые инструменты для исследования электронных свойств неорганических молекул и твердых тел. Часто эти измерения дают понимание, имеющее отношение к теоретическим моделям. Часто встречающиеся методы:

Синтетическая неорганическая химия [ править ]

Хотя некоторые неорганические соединения можно получить в чистом виде из природы, большинство из них синтезируются на химических заводах и в лабораториях.

Методы неорганического синтеза можно грубо классифицировать в зависимости от летучести или растворимости компонентов-реагентов. [16] Растворимые неорганические соединения получают методами органического синтеза . Для металлосодержащих соединений, реакционноспособных по отношению к воздуху, линии Шленка и перчаточного бокса применяются методы . Летучие соединения и газы обрабатываются в «вакуумных коллекторах», состоящих из стеклянных труб, соединенных между собой клапанами, весь объем которых можно откачивать до давления 0,001 мм рт. ст. или меньше. Соединения конденсируют с использованием жидкого азота (т. кип. 78 К) или других криогенов . Твердые вещества обычно готовят с использованием трубчатых печей, при этом реагенты и продукты герметизируют в контейнерах, часто изготовленных из плавленого кварца (аморфного SiO 2 ), но иногда и из более специализированных материалов, таких как сварные та-трубки или платиновые «лодочки». Продукты и реагенты транспортируются между температурными зонами для запуска реакций.

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Карьера в области химии: неорганическая химия» . Американское химическое общество. Архивировано из оригинала 29 октября 2012 г.
  2. ^ Бернс, ПК (1 декабря 2005 г.). «Минералы U6 + и неорганические соединения: понимание расширенной структурной иерархии кристаллических структур» . Канадский минералог . 43 (6): 1839–1894. Бибкод : 2005CaMin..43.1839B . дои : 10.2113/gscanmin.43.6.1839 . ISSN   0008-4476 .
  3. ^ Шайнберг И.; Самнер, Мэн; Миллер, В.П.; Фарина, MPW; Паван, Массачусетс; Фей, MV (1989), Лал, Ротанг; Стюарт, Б.А. (ред.), «Использование гипса в почвах: обзор» , Восстановление почвы , том. 17, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer New York, стр. 1–111, doi : 10.1007/978-1-4612-3532-3_1 , ISBN.  978-1-4612-7684-5 , получено 21 августа 2022 г.
  4. ^ Хаайер, Сюзанна CM; Ламерс, Леон ПМ; Смолдерс, Альфонс Дж. П.; Джеттен, Майк С.М.; Оп-ден-Кэмп, Хууб Дж. М. (14 августа 2007 г.). «Сульфид железа и пирит как потенциальные доноры электронов для микробного восстановления нитратов в пресноводных водно-болотных угодьях» . Геомикробиологический журнал . 24 (5): 391–401. дои : 10.1080/01490450701436489 . hdl : 2066/34570 . ISSN   0149-0451 . S2CID   97227345 .
  5. ^ Дженсен, Уильям Б. (1978). «Определения кислотно-основного состояния Льюиса: отчет о состоянии» . Химические обзоры . 78 (1): 1–22. дои : 10.1021/cr60311a002 . ISSN   0009-2665 .
  6. ^ Го, Цзяньпин; Чен, Пин (2021). «История аммиака в процессе создания» . Природный катализ . 4 (9): 734–735. дои : 10.1038/s41929-021-00676-0 . ISSN   2520-1158 . S2CID   237588318 .
  7. ^ Ли, Дж.Дж. (2004), Смит, Барри Э.; Ричардс, Раймонд Л.; Ньютон, Уильям Э. (ред.), «Хабер-Бош и другие промышленные процессы» , Катализаторы азотфиксации , Дордрехт: Springer Нидерланды, стр. 33–54, номер документа : 10.1007/978-1-4020-3611-8_2 , ISBN  978-90-481-6675-6 , получено 21 августа 2022 г.
  8. ^ Витчи, Х. (1 мая 2000 г.). «Фриц Габер: 1868-1934» . Токсикологические науки . 55 (1): 1–2. дои : 10.1093/toxsci/55.1.1 . ПМИД   10788553 .
  9. ^ Лен, Дж. М. (1995). Супрамолекулярная химия: понятия и перспективы . Вайнхайм: ВЧ. ISBN  978-3-527-29311-7 .
  10. ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN  978-0-08-037941-8 .
  11. ^ Эльшенбройх, К.; Зальцер, А. (1992). Металлоорганические соединения: краткое введение (2-е изд.). Вайнхайм: Wiley-VCH. ISBN  978-3-527-28164-0 .
  12. ^ С. Дж. Липпард; Дж. М. Берг (1994). Основы бионеорганической химии . Милл-Вэлли, Калифорния: Университетские научные книги. ISBN  978-0-935702-73-6 .
  13. ^ Уэллс, А. Ф. (1984). Структурная неорганическая химия . Оксфорд: Кларендон Пресс.
  14. ^ Коттон, ФА (1990). Химические приложения теории групп (3-е изд.). Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-0-471-51094-9 .
  15. ^ Р. Г. Уилкинс (1991). Кинетика и механизм реакций комплексов переходных металлов (2-е изд.). Вайли-ВЧ. ISBN  978-3-527-28389-7 .
  16. ^ Джиролами, Г.С.; Раухфус, ТБ; Анжеличи, Р.Дж. (1999). Синтез и техника в неорганической химии (3-е изд.). Милл-Вэлли, Калифорния: Университетские научные книги. ISBN  978-0-935702-48-4 .
В Викиверситете вы можете узнать больше и рассказать другим о неорганической химии на кафедре неорганической химии.
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Inorganic_chemistry&oldid=1220267914"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: e9fc426693246dba79fe0b3038a0dca1__1713803220
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/e9/a1/e9fc426693246dba79fe0b3038a0dca1.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Inorganic chemistry - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)