Chemia nieorganiczna

Chemia to nauka zajmująca się otrzymywaniem i badaniem zróżnicowanych właściwości, struktur oraz wzajemnych reakcji chemicznych pierwiastków i ich połączeń. Utrzymuje się główny podział na chemię organiczną, która zajmuje się połączeniami węgla ze względu na ich dużą liczbę i specyficzność, oraz na chemię nieorganiczną, która bada połączenia wszystkich innych pierwiastków i niewielką część połączeń węgla, z wyjątkiem węglowodorów i ich pochodnych. Substancją chemiczną nazywamy zarówno związki nieorganiczne, czyli takie, które nie zawierają w swojej strukturze węgla w innej postaci niż jony cyjankowe, izocyjankowe, tiocyjankowe, cyjanianowe, tiocyjanianowe, węglanowe, wodorowęglanowe, tlenki węgla oraz węgliki, a także wszelkiego rodzaju rudy metali, minerały, metale oraz ich stopy. Oprócz powiązań z fizyką, chemia nieorganiczna zazębia się również z innymi naukami, takimi jak mineralogia, geologia, geochemia, kosmochemia oraz z wieloma działami nauk stosowanych, na przykład z nieorganiczną technologią chemiczną, metalurgią i ceramiką. Chemię nieorganiczną, pod względem prowadzonych badań, możemy podzielić na wiele różnych dziedzin, na przykład preparatyka nieorganiczna zajmuje się otrzymywaniem nowych połączeń, nieorganiczna technologia chemiczna skupia się na procesie wytwarzania związków nieorganicznych na dużą skalę, a analityka chemii nieorganicznej ma na celu zbadanie interesującej nas struktury pod względem jakościowym oraz ilościowym. Do ważnych zagadnień chemii nieorganicznej należą również kinetyka reakcji chemicznych, mineralogia oraz chemia fizyczna.

Istota chemii nieorganicznej

Z biegiem lat zainteresowanie chemią zwiększało się i ukierunkowywało. Początkowo, w XVIII w. chemia nieorganiczna oznaczała w praktyce badania procesów spalania. W XIX w. rozpoczęto badania nad łatwo dostępnymi pierwiastkami, takimi jak wodór, tlen czy glin. Aktualnie ciągle udoskonalane metody badawcze pozwalają nam nawet na wyodrębnianie oraz oczyszczanie rzadkich pierwiastków, wśród których poszukuje się potencjalnych zastosowań w różnych działach techniki. Coraz więcej wiemy bowiem o takich pierwiastkach jak gal, niob, tantal, cyrkon, beryl, tytan oraz o ich związkach. Dzięki odkryciu promieniotwórczości i przemian promieniotwórczych, udało się rozszerzyć zakres badań chemicznych o pierwiastki charakteryzujące się nietrwałymi jądrami atomowymi. Na znaczeniu nabierają również takie dyscypliny chemii nieorganicznej jak krystalografia oraz ogólnie chemia ciała stałego.

Określanie struktury związków nieorganicznych

W celu klasyfikacji substancji pod względem jej budowy zazwyczaj stosuje się fizykochemiczne metody badań, między innymi:

• spektroskopowe, które skupiają się wokół wszelkich form promieniowania, a w wyniku czego możliwa jest interpretacja otrzymanych widm. Do tej grupy należą takie techniki jak spektroskopia IR, NMR oraz UV-Vis,
• dyfrakcyjne, umożliwiające określenie pełnej charakterystyki kryształu, w tym jego wymiarów, kształtu oraz rozmieszczenia atomów, na przykład rentgenografia oraz elektronografia.

Klasyfikacja związków nieorganicznych

1. Tlenki, czyli związki pierwiastków z tlenem o ogólnym wzorze E_nO_m, w których tlen zawsze występuje na –II stopniu utlenienia.
   • tlenki ze względu na właściwości fizyczne dzielimy na:
     • tlenki metali, czyli ciała stałe o wysokiej gęstości i temperaturze topnienia, które po stopieniu przewodzą prąd elektryczny. Te substancje często charakteryzuje barwa, na przykład tlenek żelaza(III) Fe₂O₃ jest brunatnoczerwony, tlenek ołowiu(IV) Pb₃O₄ żółty, tlenek rtęci(II) HgO żółty lub czerwony a tlenek chromu(III) zielony,
     • pozostałe tlenki – półmetali i niemetali mają różne stany fizyczne, na przykład gazy jak tlenek węgla(II) CO, tlenek węgla(IV) CO₂ oraz tlenek siarki(IV) SO₂, ciała stałe w tym tlenek fosforu(V) P₄O₁₀ oraz tlenek krzemu(IV) SiO₂ i ciecze, na przykład tlenek wodoru, czyli woda H₂O.
   • tlenki ze względu na właściwości chemiczne dzielimy na:
     • kwasowe, które reagując z wodą, dają kwasy oraz z zasadami skutkują wytworzeniem soli. Są to na przykład tlenek węgla(IV) CO₂, tlenek fosforu(V) P₄O₁₀, tlenek siarki(VI) SO₃ oraz tlenek azotu(III) N₂O₃,
     • zasadowe, które reagując z wodą, dają zasady a z kwasami sole. Są to głównie tlenki 1. i 2. grupy układu okresowego oprócz berylu, czyli między innymi tlenek sodu Na₂O, tlenek wapnia CaO oraz tlenek potasu K₂O,

• amfoteryczne, które w reakcji zarówno z kwasami, jak i zasadami wytwarzają sole. Nie reagują one natomiast z wodą. Są to na przykład tlenek cynku ZnO, tlenek glinu Al₂O₃, tlenek berylu BeO oraz tlenek manganu(II) MnO.
• otrzymywanie: bezpośrednia synteza, rozkład termiczny soli, wodorotlenków i tlenków, utlenianie tlenków na niższych stopniach utlenienia oraz redukcja tlenków na wyższych stopniach utlenienia, spalanie związków organicznych.

2. Wodorki, czyli związki chemiczne zbudowane są z wodoru połączonego z innym pierwiastkiem. W zależności od grupy układu pierwiastkowego, w której znajduje się dany pierwiastek, wzór ogólny można przedstawić jako EH_n – dla grup 1.-15, na przykład NH₃ oraz H_nE dla wodorków pierwiastków grup 16. i 17, na przykład H₂
   • wodorki ze względu na charakter wiązania dzielimy na:
     • metaliczne, które tworzą pierwiastki grup pobocznych (blok d), a ich składu chemicznego nie da się wyrazić prostymi wzorami, np. TiH_1.73,
     • typu soli, charakterystyczne dla pierwiastków grup 1.,2. (blok s) oraz lantanowców, gdzie wodór jest zawsze na –I stopniu utlenienia z wyjątkiem wodorku berylu oraz magnezu,
     • kowalencyjne, które tworzą pierwiastki grup 13(B), 14-17, a w których wodór występuje na +I stopniu utlenienia.

1. wodorki ze względu na własności chemiczne możemy podzielić na:
   • obojętne, które nie wchodzą w reakcję z wodą, np. CH₄,
   • kwasowe, które reagując z wodą, tworzą kwasy a w reakcji z zasadami – sole, np. HCl, HI,

• zasadowe, które analogicznie z wodą tworzą zasady a z kwasami sole, np. NH₃.

1. otrzymywanie: bezpośrednia synteza, reakcje wymiany.

3. Kwasy to nieorganiczne substancje chemiczne, które składają się z kationów wodoru (jonów hydroniowych) i reszty kwasowej, których wzór ogólny można zapisać w postaci: H_n­R, gdzie R to reszta kwasowa.
   • kwasy możemy podzielić ze względu na rodzaj reszty kwasowej na:
     • beztlenowe, w których resztę kwasową tworzą atomy niemetali. Są to wodne roztwory wodorków niemetali, np. kwas chlorowodorowy HCl, kwas siarkowodorowy H₂S oraz kwas fluorowodorowy HF,
     • otrzymywanie kwasów beztlenowych: bezpośrednia synteza, rozpuszczanie gazowego produktu w wodzie,

• tlenowe, w których resztę kwasową tworzy grupa zawierająca atomy niemetalu i atomy tlenu. Takie kwasy otrzymuje się poprzez rozpuszczenie w wodzie tlenków odpowiednich niemetali. Do kwasów tlenowych zaliczamy między innymi kwas azotowy(V) HNO₃, kwas siarkowy(VI) H₂SO₄ oraz kwas fosforowy(V) H₃PO₄,
• otrzymywanie kwasów tlenowych: rozpuszczanie tlenku (bezwodnika kwasowego) w wodzie
• oba rodzaje kwasów można otrzymać w wyniku działania na sól otrzymywanego kwasu, innym kwasem o większej mocy.

4. Wodorotlenkami nazywamy związki, które mogą być akceptorami protonów lub takie, które są zdolne do odszczepiania grup hydroksylowych. Ogólny wzór wodorotlenków to E(OH)_n, a grupa hydroksylowa ma wartościowość równą I. Każdy wodorotlenek w reakcji z kwasami tworzy sól w reakcji zobojętnienia.
   • wodorotlenki ze względu na charakter chemiczny dzielimy na:
     • zasadowe, które tworzą metale grup 1. i 2. z wyjątkiem berylu i magnezu, oraz metale bloku d na swoich najniższych możliwych stopniach utlenienia. W reakcji z kwasami tworzą sole, a należą do nich np. wodorotlenek litu Li(OH) oraz wodorotlenek wapnia Ca(OH)₂,
     • amfoteryczne, które wytwarzają sole nie tylko w reakcji z kwasami, ale też z zasadami. Zaliczamy do nich między innymi wodorotlenek glinu Al(OH)₃, wodorotlenek miedzi(II) Cu(OH)₂, wodorotlenek chromu(III) Cr(OH)₃ oraz wodorotlenek cynku Zn(OH)₂,

• otrzymywanie: rozpuszczanie tlenku (bezwodnika zasadowego) w wodzie, reakcja pierwiastków grup 1. i 2. z wodą, reakcja wodorków z wodą, reakcja wymiany pomiędzy silną zasadą i solą pierwiastka, którego tlenek nie jest rozpuszczalny w wodzie.

5. Sole to związki chemiczne, będące produktami reakcji zobojętnienia wodorotlenków kwasami tlenowymi i beztlenowymi. Ich wzór ogólny to E_nR_m, gdzie nE^m+ to kation pierwiastka zasadotwórczego, a mR^n- to reszta kwasowa.
   • Sole dzielimy na:
     • proste, w tym sole beztlenowe oraz tlenowe. Mogą to być sole kwaśne, inaczej nazywane wodorosolami, które są produktami niepełnego podstawienia wodorków w kwasach wieloprotonowych, np. NH₄HS, KH₂PO₄. Hydroksysole, czyli sole zasadowe powstałe w wyniku niezupełnego zobojętnienia grup hydroksylowych wodorotlenków to np. Al(OH)Cl₂, Mg(OH)Cl. Występują również sole uwodnione, takie jak CuSO₄·5H₂O.
     • złożone, czyli sole podwójne i potrójne, które w swojej budowie posiadają odpowiednio dwa lub trzy różne kationy połączone z resztą kwasową. Należą do nich K₂SO₄·Al₂(SO₄)₃·24H₂O oraz KAl(SO₄)₂·12H_­2O,

• otrzymywanie: reakcja metalu i niemetalu, reakcja bezwodnika kwasowego z bezwodnikiem zasadowym, działanie kwasem na bezwodnik zasadowy oraz zasady na bezwodnik kwasowy, reakcja metalu aktywnego z kwasem, zobojętnianie wodorotlenku kwasem.

Chemia fizyczna

To dziedzina nauki, która pozwala na zobrazowanie i zrozumienie przemian fizycznych i chemicznych materii wraz ze związanymi z nimi przepływami energii. Podstawową metodą stosowaną w trakcie badań jest tworzenie teoretycznych modeli matematyczno-fizycznych w oparciu o obserwacje eksperymentalne. Modelem nazywamy mechanizm, który ma za zadanie odzwierciedlić w jak najprostszy sposób, najistotniejsze cechy rozważanego obiektu lub zjawiska. Chemia fizyczna obejmuje tworzenie hipotez, teorii oraz praw natury w odniesieniu do swojego przedmiotu. Głównymi zagadnieniami tego działu chemii są: termodynamika, równowagi chemiczne, równowagi fazowe, charakterystyka termodynamiczna roztworów, elektrochemia, zjawiska powierzchniowe i koloidy, kinetyka chemiczna oraz podstawy chemii kwantowej.

Chemia kwantowa

To bardzo ważny dział chemii teoretycznej, dzięki któremu możliwe jest zrozumienie odziaływań pomiędzy atomami i cząsteczkami, a także występujących pomiędzy nimi procesów chemicznych. Z wykorzystaniem metod mechaniki kwantowej możemy określić wiele parametrów, w tym energię występujących wiązań chemicznych, kąty pomiędzy nimi, momenty magnetyczne oraz potencjały jonizujące. Ten dział chemii powstał w 1927 r. gdy trójka uczonych E.U. Condon, W. Heitler oraz F. London rozpoczęli badania mające na celu wyjaśnienie wiązań występujących w cząsteczce dwuatomowej wodoru. W Polsce, do rozwoju chemii kwantowej przyczynił się Włodzimierz Kołos zajmujący się tym samym zjawiskiem. Jego obliczenia dotyczące energii dysocjacji cząsteczki wodoru okazały się bardziej dokładne niż metody spektroskopowe.

Kinetyka chemiczna

To dział chemii fizycznej, który zajmuje się badaniem szybkości reakcji chemicznych z użyciem analizy doświadczalnej i teoretycznej. W celu zdefiniowania równania kinetycznego reakcji, niezbędne są dane eksperymentalne na temat zależności stężenia reagentów i szybkości reakcji. Ponadto, kinetyka zajmuje się określaniem wpływu różnych zmiennych, takich jak katalizatory czy zmiana temperatury, na szybkość reakcji chemicznej. Posiadając dane eksperymentalne, badacze poddają je analizie teoretycznej, która pozwala na ustalenie występującego mechanizmu stechiometrii a następnie dopasowania odpowiedniego równania kinetycznego.

Analiza chemiczna

To dział chemii obejmujący badania jakościowe oraz ilościowe składu substancji. Do tego celu wykorzystuje się szereg metod klasycznych, takich jak metody wagowe oraz miareczkowanie klasyczne z wykorzystaniem wskaźników, a także ciągle rozwijające się metody fizykochemiczne, nazywane również analizami instrumentalnymi. Są to wszelkiego rodzaju badania, wymagające wykorzystania odpowiedniego sprzętu, na przykład techniki chromatograficzne, analiza spektralna czy też metody elektrochemiczne takie jak woltamperometria i potencjometria.

Zastosowanie chemii nieorganicznej

W zależności od substancji, nieorganiczne związki chemiczne posiadają szereg zastosowań w praktycznie każdej gałęzi przemysłu, a także w naszym życiu codziennym. Przykładowo:

• tlenek azotu(IV) NO₂ wykorzystuje się jako środek nitrujący, jest utleniaczem oraz katalizatorem wielu reakcji, a także stanowi półprodukt potrzebny w produkcji kwasu azotowego,
• tlenek chromu(III) Cr₂O₃ ze względu na swoją barwę wykorzystuje się jako składnik zielonych farb oraz w trakcie zabarwiania szkła i glazury na porcelanie,
• tlenek krzemu SiO­2­, czyli inaczej piasek jest budulcowym składnikiem wielu bardzo ważnych produktów, w tym cementu, zaprawy murarskiej, szkła czy ceramiki,
• wodorek wapnia CaH_­2 znalazł zastosowanie w produkcji czystych metali z ich tlenków, usuwaniu śladów wilgoci z cieczy organicznych, a także służy jako źródło wodoru w trakcie napełniania balonów,
• wodorek litu LiH jest silnym reduktorem oraz powszechnie stosowanym środkiem osuszającym,
• wodorek azotu NH₃, inaczej nazywany amoniakiem wykorzystuje się podczas produkcji nawozów sztucznych, stanowi również czynnik chłodniczy,
• kwas azotowy(V) HNO₃ jest szeroko stosowany w przemyśle, np. podczas oczyszczania powierzchni metali, w trakcie otrzymywania nawozów i tworzyw sztucznych oraz lakierów, a także w branży farmaceutycznej,
• kwas siarkowy(VI) H­₂SO₄ to świetny środek bakteriobójczy, używa się go w trakcie produkcji nawozów fosforowych, włókien sztucznych oraz podczas rafinacji olejów i tłuszczów, stanowi elektrolit w akumulatorach,
• wodorotlenek sodu wykorzystuje się w procesach produkcji mydła, celulozy, proszków do prania, jedwabiu wiskozowego oraz szkła,
• wodorotlenek potasu jest substancją suszącą oraz wybielającą, stanowi surowiec podczas procesów zmydlania, jest pochłaniaczem gazów, np. CO₂ z atmosfery.

Reakcje chemiczne, w których uczestniczą związki nieorganiczne:

1. Synteza, w trakcie której z minimum dwóch substancji powstaje jeden produkt.
2. Analiza, czyli rozkład, podczas którego z jednego substratu powstają minimum dwa produkty.
3. Wymiany, kiedy w trakcie reakcji dochodzi do wymiany składników pomiędzy reagującymi substancjami.
4. Redoks, czyli reakcje utleniania i redukcji, podczas których zmianie ulegają stopnie utlenienia biorących w nich udział pierwiastków.