Anorganische Chemie

Chemie ist eine Wissenschaft, die sich mit der Gewinnung und Erforschung verschiedener Eigenschaften, Strukturen und chemischer Reaktionen von Elementen und deren Verbindungen beschäftigt. Beibehalten wird eine Hauptunterteilung in organische Chemie, die sich aufgrund ihrer großen Anzahl und Spezifität mit Kohlenstoffverbindungen befasst, und anorganische Chemie, die die Verbindungen aller anderen Elemente und einen kleinen Teil der Kohlenstoffverbindungen erforscht, mit Ausnahme der Kohlenwasserstoffe und ihrer Derivate. Als chemische Substanz werden sowohl anorganische Verbindungen bezeichnet, d.h. solche, die in ihrer Struktur keinen Kohlenstoff in anderer Form als Cyanid-, Isocyanat-, Thiocyanat-, Cyanat-, Thiocyanat-, Karbonat-, Hydrogencarbonat-, Kohlenoxide und Karbide enthalten, sowie alle Arten von Metallerzen, Mineralien, Metallen und deren Legierungen. Neben ihren Verbindungen zur Physik hat die anorganische Chemie auch Überschneidungen mit anderen Wissenschaften wie Mineralogie, Geologie, Geochemie, Kosmochemie und mit vielen Zweigen der angewandten Wissenschaft, z.B. der anorganischen chemischen Technologie, Metallurgie und Keramik. Die anorganische Chemie lässt sich im Hinblick auf die durchgeführten Forschungsarbeiten in verschiedene Bereiche unterteilen, z.B. befasst sich die anorganische Präparation mit der Gewinnung neuer Verbindungen, die anorganische chemische Technologie mit der Herstellung anorganischer Verbindungen in großem Maßstab und die Analytik der anorganischen Chemie mit der qualitativen und quantitativen Untersuchung der betreffenden Struktur. Zu den wichtigen Themen der anorganischen Chemie gehören auch die Kinetik von chemischen Reaktionen, die Mineralogie und die physikalische Chemie.

Die Essenz der anorganischen Chemie

Im Laufe der Jahre nahm das Interesse an der Chemie zu und wurde stärker fokussiert. Anfänglich, im 18. Jahrhundert, bedeutete anorganische Chemie in der Praxis die Untersuchung von Verbrennungsprozessen. Im 19. Jahrhundert begann die Erforschung von leicht verfügbaren Elementen wie Wasserstoff, Sauerstoff oder Aluminium. Heute ermöglichen es die ständig verbesserten Forschungsmethoden sogar, seltene Elemente zu isolieren und zu reinigen, für die in verschiedenen Bereichen der Technik mögliche Anwendungen gesucht werden. Wir wissen nämlich immer mehr über Elemente wie Gallium, Niob, Tantal, Zirkonium, Beryllium, Titan sowie über deren Verbindungen. Dank der Entdeckung der Radioaktivität und der radioaktiven Umwandlungen war es möglich, die chemische Forschung auf die Elemente auszudehnen, die sich durch instabile Atomkerne auszeichnen. Auch die Disziplinen der anorganischen Chemie wie die Kristallographie und die Festkörperchemie im Allgemeinen gewinnen an Bedeutung.

Bestimmung der Struktur von anorganischen Verbindungen

Um eine Substanz in Bezug auf ihre Struktur zu klassifizieren, werden in der Regel physikalisch-chemische Prüfverfahren eingesetzt, unter anderem:

• Spektroskopische Verfahren, die sich auf alle Arten von Strahlung konzentrieren und es ermöglichen, die resultierenden Spektren zu interpretieren. Zu dieser Gruppe gehören Techniken wie die IR-, NMR- und UV-Vis-Spektroskopie,
• Diffraktive Verfahren, die es ermöglichen, alle Merkmale eines Kristalls zu bestimmen, einschließlich seiner Abmessungen, seiner Form und der Verteilung der Atome, z.B. Röntgenstrukturanalyse und Elektronographie.

Klassifizierung anorganischer Verbindungen

1. Oxide, d.h. Verbindungen von Elementen mit Sauerstoff mit der allgemeinen Formel E_nO_m, bei denen der Sauerstoff stets in der Oxidationsstufe -II vorliegt.
   • Oxide werden aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften unterteilt in:
     • Metalloxide, d.h. Feststoffe mit hoher Dichte und hohem Schmelzpunkt, die nach dem Schmelzen elektrischen Strom leiten. Diese Substanzen werden oft durch ihre Farbe gekennzeichnet, z.B. ist Eisen(III)-oxid Fe₂O₃ braunrot, Blei(IV)-oxid Pb₃O₄ gelb, Quecksilber(II)-oxid HgO gelb oder rot und Chrom(III)-oxid grün,
     • andere Oxide – Halbmetalloxide und Nichtmetalloxide haben unterschiedliche Aggregatzustände, z.B. Gase, wie Kohlenstoff(II)-Oxid CO, Kohlenstoff(IV)-Oxid CO₂ und Schwefel(IV)-Oxid SO₂, Feststoffe, darunter Phosphor(V)-Oxid P₄O₁₀ und Silizium(IV)-Oxid SiO₂ und Flüssigkeiten, z.B. Wasserstoffoxid, d.h. Wasser H₂O.
   • Oxide werden aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften unterteilt in:
     • saure, die mit Wasser zu Säuren und mit Basen zu Salzen reagieren. Dies sind zum Beispiel Kohlenstoff(IV)oxid CO₂, Phosphor(V)oxid P₄O₁₀, Schwefel(VI)oxid SO₃ und Stickstoff(III)oxid N₂O₃,
     • basische, die mit Wasser zu Basen und mit Säuren zu Salzen reagieren. Dies sind außer Beryllium vor allem die Oxide der 1. und 2. Gruppe des Periodensystems, also unter anderem Natriumoxid Na₂O, Calciumoxid CaO und Kaliumoxid K₂O,

• amphotere, die sowohl mit Säuren als auch mit Basen zu Salzen reagieren. Sie reagieren dagegen nicht mit Wasser. Dies sind zum Beispiel Zinkoxid ZnO, Aluminiumoxid Al₂O₃, Berylliumoxid BeO und Mangan(II)-oxid MnO.
• Gewinnung: Direktsynthese, thermische Zersetzung von Salzen, Hydroxiden und Oxiden, Oxidation von Oxiden in niederen Oxidationsstufen und Reduktion von Oxiden in höheren Oxidationsstufen, Verbrennung von organischen Verbindungen.

2. Hydride, also chemische Verbindungen, bestehen aus Wasserstoff in Verbindung mit einem anderen Element. Je nach der Gruppe des Periodensystems, in der sich das Element befindet, kann die allgemeine Formel als EH_n – für die Gruppen 1-15, zum Beispiel NH₃, und H_nE für Hydride der Elemente der Gruppen 16 und 17, zum Beispiel H₂S, angegeben werden.
   • Hydride werden aufgrund der Art ihrer Bindung unterteilt in:
     • metallische, die von Elementen der Seitengruppen (d-Block) gebildet werden und deren chemische Zusammensetzung nicht durch einfache Formeln ausgedrückt werden kann, z.B. TiH_1.73,
     • salzartige, charakteristisch für die Elemente der 1. und 2. Gruppe (s-Block) und die Lanthaniden, bei denen der Wasserstoff immer in der Oxidationsstufe -I vorliegt, außer bei Berylliumhydrid und Magnesium,

• kovalente, das sind die Elemente der Gruppen 13(B), 14-17, bei denen der Wasserstoff in der Oxidationsstufe +I vorliegt.

• Hydride werden aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften unterteilt in:
  • inerte, die nicht mit Wasser reagieren, z. B. CH₄,
  • saure, die mit Wasser zu Säuren und mit Basen zu Salzen reagieren, z.B. HCl, HI,

• basische, die ebenfalls mit Wasser zu Basen und mit Säuren zu Salzen reagieren, z.B. NH₃.
• Gewinnung: direkte Synthese, Austauschreaktionen.

3. Säuren sind anorganische chemische Substanzen, die aus Wasserstoffkationen (Hydronium-Ionen) und einem Säurerest bestehen, dessen allgemeine Formel als H_nR aufgeschrieben werden kann, wobei R der Säurerest ist.
   • Säuren werden aufgrund der Art des Säurerestes unterteilt in:
     • sauerstofffreie Säuren, wobei der Säurerest aus nichtmetallischen Atomen gebildet wird. Dies sind wässrige Lösungen von Nichtmetallhydriden, z.B. Chlorwasserstoffsäure HCl, Schwefelwasserstoffsäure H₂S und Flusssäure HF,
     • Gewinnung von sauerstofffreien Säuren: direkte Synthese, Auflösung des gasförmigen Produkts in Wasser,

• Oxosäuren, bei denen der Säurerest aus einer Gruppe gebildet wird, die Nichtmetallatome und Sauerstoffatome enthält. Solche Säuren werden durch Auflösen der Oxide der entsprechenden Nichtmetalle in Wasser gewonnen. Zu den sauerstoffhaltigen Säuren gehören unter anderem Salpeter(V)säure HNO₃, ein Schwefel(VI)säure H₂SO₄ und Phosphor(V)säure H₃PO₄,
• Gewinnung von Oxosäuren: Auflösung des Oxids (Säureanhydrids) in Wasser,
• beide Arten von Säuren können durch Behandlung des Salzes der zu gewinnenden Säure mit einer anderen Säure größerer Stärke gewonnen werden.

4. Als Hydroxide werden Verbindungen bezeichnet, die Protonenakzeptoren sein können oder die in der Lage sind, Hydroxylgruppen abzuspalten. Die allgemeine Formel von Hydroxiden lautet E(OH)_n und die Hydroxylgruppe hat die Wertigkeit I. Jedes Hydroxid reagiert mit Säuren zu einem Salz in einer Neutralisationsreaktion.
   • Hydroxide werden aufgrund ihrer chemischen Natur unterteilt in:
     • basische, die von Metallen der 1. und 2. Gruppe mit Ausnahme von Beryllium und Magnesium sowie von Metallen des Blocks d auf ihren niedersten möglichen Oxidationsstufen gebildet werden. Bei Reaktionen mit Säuren bilden sie Salze, wie z.B. Lithiumhydroxid Li(OH) und Calciumhydroxid Ca(OH)_2,
     • amphotere, die nicht nur bei Reaktionen mit Säuren, sondern auch mit Basen Salze bilden. Dazu gehören unter anderem Aluminiumhydroxid Al(OH)₃, Kupfer(II)hydroxid Cu(OH)₂, Chrom(III)hydroxid Cr(OH)₃ und Zinkhydroxid Zn(OH)₂,

• Gewinnung: Auflösung eines Oxids (basisches Anhydrid) in Wasser, Reaktion von Elementen der Gruppen 1. und 2. mit Wasser, Reaktion von Hydriden mit Wasser, Austauschreaktion zwischen einer starken Base und einem Salz eines Elements, dessen Oxid in Wasser nicht löslich ist.

5. Salze sind chemische Verbindungen, die bei der Neutralisationsreaktion von Hydroxiden mit iii. Oxosäuren und sauerstofffreie Säuren entstehen. Ihre allgemeine Formel lautet E_nR_m, wobei nE^m+ das Kation des basenbildenden Elements und mR^n- der Säurerest ist.
   • Wir unterteilen Salze in:
     • einfache, darunter Sauerstoffsalze und Salze der sauerstofffreien Säuren. Dabei kann es sich um saure Salze handeln, die auch als Hydrogensalze bezeichnet werden und Produkte einer unvollständigen Hydrid-Substitution in mehrprotonigen Säuren sind, z.B. NH₄HS, KH₂PO₄. Hydroxidsalze, d.h. Alkalisalze, die durch unvollständige Neutralisierung der Hydroxylgruppen von Hydroxiden entstehen, sind z.B. Al(OH)Cl₂, Mg(OH)Cl. Es gibt auch hydratisierte Salze wie CuSO₄·5H₂O.
     • Komplexe, d.h. Doppel- und Dreifachsalze, die in ihrer Struktur zwei oder drei verschiedene Kationen aufweisen, die an einen Säurerest gebunden sind. Dazu gehören K₂SO₄·Al₂(SO₄)₃·24H₂O und KAl(SO₄)₂·12H₂O,

• Gewinnung: Reaktion eines Metalls und eines Nichtmetalls, Reaktion eines sauren Anhydrids mit einem basischen Anhydrid, Einwirkung einer Säure auf ein basisches Anhydrid und einer Base auf ein saures Anhydrid, Reaktion eines aktiven Metalls mit einer Säure, Neutralisation eines Hydroxids mit einer Säure.

Physikalische Chemie

Es ist ein Wissenschaftsbereich, der es uns ermöglicht, die physikalischen und chemischen Umwandlungen der Materie sowie die damit verbundenen Energieflüsse zu visualisieren und zu verstehen. Die grundlegende Methode, die in der Forschung angewandt wird, ist die Erstellung von theoretischen mathematischen und physikalischen Modellen auf der Grundlage experimenteller Beobachtungen. Ein Modell ist ein Mechanismus, der die wichtigsten Merkmale des betrachteten Objekts oder Phänomens auf möglichst einfache Weise wiedergeben soll. Die physikalische Chemie befasst sich mit der Aufstellung von Hypothesen, Theorien und Naturgesetzen in Bezug auf ihren Gegenstand. Die wichtigsten Themen dieses Zweigs der Chemie sind Thermodynamik, chemische Gleichgewichte, Phasengleichgewichte, thermodynamische Charakteristika von Lösungen, Elektrochemie, Oberflächenphänomene und Kolloide, chemische Kinetik und die Grundlagen der Quantenchemie.

Quantenchemie

Es handelt sich hierbei um einen sehr wichtigen Zweig der theoretischen Chemie, der es ermöglicht, die Wechselwirkungen zwischen Atomen und Molekülen und die zwischen ihnen stattfindenden chemischen Prozesse zu verstehen. Mit Hilfe der Methoden der Quantenmechanik können wir viele Parameter bestimmen, darunter die Energie der vorhandenen chemischen Bindungen, die Winkel zwischen ihnen, die magnetischen Momente und die ionisierenden Potentiale. Dieser Zweig der Chemie wurde 1927 gegründet, als drei Wissenschaftler, E.U. Condon, W. Heitler und F. London, mit der Erforschung der Bindungen in einem zweiatomigen Wasserstoffmolekül begannen.  In Polen trug Włodzimierz Kołos, der sich mit demselben Phänomen beschäftigte, zur Entwicklung der Quantenchemie bei. Seine Berechnungen der Dissoziationsenergie eines Wasserstoffmoleküls erwiesen sich als genauer als die spektroskopischen Methoden.

Chemische Kinetik

Dies ist der Zweig der physikalischen Chemie, der sich mit der Untersuchung der Geschwindigkeit chemischer Reaktionen unter Verwendung experimenteller und theoretischer Analysen befasst. Um die kinetische Gleichung einer Reaktion aufzustellen, werden experimentelle Daten über die Konzentrationsabhängigkeit der Reaktanten und die Reaktionsgeschwindigkeit benötigt. Darüber hinaus befasst sich die Kinetik mit der Bestimmung der Auswirkungen verschiedener Variablen, wie Katalysatoren oder Temperaturänderungen, auf die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion. Die experimentellen Daten werden einer theoretischen Analyse unterzogen, die es den Wissenschaftler ermöglicht, den auftretenden stöchiometrischen Mechanismus zu bestimmen und dann eine geeignete kinetische Gleichung aufzustellen.

Chemische Analyse

Dies ist der Zweig der Chemie, der sich mit der qualitativen und quantitativen Untersuchung der Zusammensetzung von Substanzen befasst. Dabei werden sowohl klassische Methoden wie die Wägung und die klassische Titration mit Indikatoren als auch die sich ständig weiterentwickelnden physikalisch-chemischen Methoden, die auch als instrumentelle Analysen bezeichnet werden, eingesetzt. Dabei handelt es sich um alle Arten von Tests, die den Einsatz entsprechender Geräte erfordern, z.B. chromatographische Techniken, Spektralanalyse oder elektrochemische Methoden wie Voltammetrie und Potentiometrie.

Anwendung der anorganischen Chemie

Anorganische chemische Verbindungen haben je nach Substanz eine Reihe von Anwendungen in praktisch allen Industriezweigen sowie in unserem täglichen Leben. Zum Beispiel:

• Stickstoff(IV)-oxid NO₂ wird als Nitriermittel verwendet, ist ein Oxidationsmittel und Katalysator für viele Reaktionen und wird als Zwischenprodukt für die Herstellung von Salpetersäure benötigt,
• Chrom(III)-oxid Cr₂O₃ wird wegen seiner Farbe als Bestandteil grüner Farben und zum Färben von Glas und Glasur auf Porzellan verwendet,
• Siliziumoxid SiO₂ oder auch Sand ist ein wesentlicher Baustoff für eine Reihe sehr wichtiger Produkte wie Zement, Mörtel, Glas oder Keramik,
• Calciumhydrid CaH₂ findet Anwendung bei der Herstellung reiner Metalle aus ihren Oxiden, bei der Entfernung von Feuchtigkeitsspuren aus organischen Flüssigkeiten und wird auch als Wasserstoffquelle bei der Ballonfüllung verwendet,
• Lithiumhydrid LiH ist ein starkes Reduktionsmittel und ein häufig verwendetes Trockenmittel,
• Stickstoffhydrid NH₃, auch bekannt als Ammoniak, wird bei der Herstellung von Kunstdünger verwendet und fungiert auch als Kühlmittel,
• Salpetersäure(V) HNO₃ ist in der Industrie weit verbreitet, z.B. bei der Reinigung von Metalloberflächen, bei der Herstellung von Kunstdünger und Kunststoffen, sowie in der pharmazeutischen Industrie,
• Schwefelsäure(VI) H₂SO₄ ist ein hervorragendes Bakterizid, wird bei der Herstellung von Phosphatdüngern, Kunstfasern und bei der Raffination von Ölen und Fetten verwendet und fungiert als Elektrolyt in Batterien,
• Natriumhydroxid wird bei der Herstellung von Seife, Zellulose, Waschmitteln, Viskoseseide und Glas verwendet,
• Kaliumhydroxid als Trocknungs- und Bleichmittel fungiert als Rohstoff in Verseifungsprozessen, als Absorptionsmittel für Gase, z.B. CO₂ aus der Atmosphäre.

Chemische Reaktionen, an denen anorganische Verbindungen beteiligt sind:

1. Synthese, bei der aus mindestens zwei Substanzen ein Produkt entsteht.
2. Analyse oder Zersetzung, bei der aus einem Substrat mindestens zwei Produkte entstehen.
3. Austausch, bei dem während einer Reaktion Komponenten zwischen den Reaktanten ausgetauscht werden.
4. Redox- oder Oxidations-Reduktionsreaktionen, bei denen sich die Oxidationsstufen der beteiligten Elemente ändern.