Неорганическая химия

Химия — это наука, занимающаяся получением и изучением разнообразных свойств, структур и химических взаимодействий элементов и их комбинаций. Основное различие проводится между органической химией, которая имеет дело с соединениями углерода в связи с их большим числом и специфичностью, и неорганической химией, которая изучает соединения всех других элементов и небольшую часть соединений углерода, за исключением углеводородов и их производных. К химическим веществам относятся как неорганические соединения, то есть соединения, не содержащие в своей структуре углерода в другом виде, чем цианид-ионы, изоцианид-ионы, тиоцианид-ионы, цианат-ионы, тиоцианат-ионы, карбонат-ионы, бикарбонат-ионы, оксиды и карбиды углерода, а также все виды металлических руд, минералов, металлов и их сплавов. Помимо связей с физикой, неорганическая химия также пересекается с другими науками, такими как минералогия, геология, геохимия, космохимия и со многими отраслями прикладных наук, например, неорганической химической технологией, металлургией и керамикой. Неорганическую химию с точки зрения проводимых исследований можно разделить на множество различных областей, например, неорганическая препаратика занимается получением новых соединений, неорганическая химическая технология сосредоточена на процессе производства неорганических соединений в больших масштабах, а аналитика неорганической химии направлена на качественное и количественное изучение интересующей структуры. К важным темам неорганической химии относятся также кинетика химических реакций, минералогия и физическая химия.

Суть неорганической химии

С течением времени интерес к химии возрастал и становился более направленным. Первоначально, в XVIII веке, неорганическая химия на практике была связана с изучением процессов горения. В XIX веке начались исследования легкодоступных элементов, таких как водород, кислород или алюминий. В настоящее время постоянно совершенствующиеся исследовательские методы позволяют выделять и очищать даже редкие элементы, среди которых идет поиск потенциального применения в различных областях техники. Действительно, мы узнаем все больше и больше о таких элементах, как галлий, ниобий, тантал, цирконий, бериллий, титан, и их соединениях. С открытием радиоактивности и радиоактивных превращений стало возможным расширить сферу химических исследований, включив в нее элементы, характеризующиеся непостоянными атомными ядрами. Все большее значение приобретают такие дисциплины неорганической химии, как кристаллография и химия твердого тела в целом.

Определение структуры неорганических соединений

Чтобы классифицировать вещество с точки зрения его структуры, обычно применяются физико-химические методы исследований, в том числе:

• спектроскопические, которые ориентированы на все формы излучения, в результате чего возможна интерпретация полученных спектров. В эту группу входят такие методы, как ИК-спектроскопия, ЯМР-спектроскопия и спектроскопия в ультрафиолетовой и видимой области спектра;
• дифракционные, позволяющие определить полные характеристики кристалла, включая его размеры, форму и распределение атомов, например, рентгенография и электронография.

Классификация неорганических соединений

1. Оксиды, т. е. соединения элементов с кислородом с общей формулой E_nO_m, в которых кислород всегда присутствует в -II степени окисления.
   • Оксиды по своим физическим свойствам делятся на:
     • оксиды металлов, т. е. твердые вещества с высокой плотностью и температурой плавления, которые проводят электричество после плавления. Эти вещества часто характеризуются цветом, например, оксид железа(III) Fe₂O₃ имеет коричнево-красный цвет, оксид свинца(IV) Pb₃O₄ — желтый, оксид ртути(II) HgO — желтый или красный, оксид хрома(III) — зеленый;
     • другие оксиды — полуметаллы и неметаллы имеют различные физические состояния, например, газы, такие как оксид углерода(II) CO, оксид углерода(IV) CO₂ и оксид серы(IV) SO₂, твердые вещества, включая оксид фосфора(V) P₄O_10, а также оксид кремния(IV) SiO₂ и жидкости, например, оксид водорода, т. е. вода H₂O.
   • Оксиды по химическим свойствам делятся на:
     • кислотные, которые реагируют с водой, образуя кислоты, и с основаниями, образуя соли. Это, например, оксид углерода(IV) CO₂, оксид фосфора(V) P₄O₁₀, оксид серы(VI) SO₃ и оксид азота(III) N₂O₃;
     • основные, которые реагируют с водой, образуя основания, и с кислотами, образуя соли. В основном это оксиды 1-й и 2-й групп периодической таблицы в дополнение к бериллию, т. е., среди прочего, оксид натрия Na₂O, оксид кальция CaO и оксид калия K₂O;

• амфотерные, которые реагируют как с кислотами, так и с основаниями с образованием солей. Однако они не реагируют с водой. К ним относятся, например, оксид цинка ZnO, оксид алюминия Al₂O₃, оксид бериллия BeO и оксид марганца(II) MnO.
• Получение: прямой синтез, термическое разложение солей, гидроксидов и оксидов, окисление оксидов на низших ступенях окисления и восстановление оксидов на высших ступенях окисления, сжигание органических соединений.

2. Гидриды, т.е . химические соединения, состоящие из водорода, связанного с другим элементом. В зависимости от группы системы элементов, в которой находится данный элемент, общая формула может быть представлена в виде EH_n — для групп 1-15, например NH₃, и H_nE для гидридов элементов групп 16 и 17, например H₂
   • Гидриды, в связи с характером их связи, делятся на:
     • металлические, которые состоят из элементов побочных групп (блок d), и их химический состав не может быть выражен простыми формулами, например, TiH_1.73,
     • типа соли, характерные для элементов групп 1, 2 (блок s) и лантанидов, где водород всегда находится в степени окисления -I, за исключением гидрида бериллия и магния;

• ковалентные, которые являются элементами групп 13(B), 14-17, и в которых водород присутствует в степени окисления +I.

• Гидриды по их химическим свойствам можно разделить на:
  • нейтральные, которые не реагируют с водой, например, CH₄;
  • кислотные, которые реагируют с водой, образуя кислоты, и с основаниями, образуя соли, например, HCl, HI;

• щелочные, которые реагируют с водой, образуя основания, и с кислотами, образуя соли, например, NH₃.
• Получение: прямой синтез, реакции обмена.

3. Кислоты — это неорганические химические вещества, состоящие из катионов водорода (ионов гидроксония) и кислотного остатка, общая формула которых может быть записана как: H_nR, где R — кислотный остаток.
   • Кислоты по типу кислотного остатка можно разделить на:
     • бескислородные, в которых кислотный остаток образован атомами неметаллов. Это водные растворы гидридов неметаллов, например, хлороводородная кислота HCl, сероводородная кислота H₂S и фтористоводородная кислота HF.
     • Получение бескислородных кислот: прямой синтез, растворение газообразного продукта в воде;

• кислородные, в которых кислотный остаток образован группой, содержащей атомы неметалла и атомы кислорода. Такие кислоты получают путем растворения в воде оксидов соответствующих неметаллов. К кислородным кислотам относятся, в частности, азотная кислота(V) HNO₃, серная кислота(VI) H₂SO₄ и фосфорная кислота(V) H₃PO₄.
• Получение кислородных кислот: растворение оксида (ангидрида кислоты) в воде.
• Оба типа кислот можно получить, воздействуя на соль получаемой кислоты другой кислотой большей силы.

4. Гидроксиды — это соединения, которые могут быть акцепторами протонов, или такие, которые способны расщеплять гидроксильные группы. Общая формула гидроксидов — E(OH)_n, а гидроксильная группа имеет валентность I. Каждый гидроксид, реагируя с кислотами, образует соль в реакции нейтрализации.
   • Гидроксиды по своей химической природе делятся на:
     • основные, которые образуются металлами групп 1 и 2, за исключением бериллия и магния, и металлами блока d в их наименьших возможных степенях окисления. При реакции с кислотами они образуют соли, и к ним относятся, например, гидроксид лития Li(OH) и гидроксид кальция Ca(OH)₂;
     • амфотерные, которые образуют соли не только в реакции с кислотами, но и с основаниями. К ним, в частности, относятся гидроксид алюминия Al(OH)₃, гидроксид меди(II) Cu(OH)₂, гидроксид хрома(III) Cr(OH)₃ и гидроксид цинка Zn(OH)₂.

• Получение: растворение оксида (ангидрида основания) в воде, реакция элементов групп 1 и 2 с водой, реакция гидридов с водой, реакция обмена между сильным основанием и солью элемента, оксид которого не растворим в воде.

5. Соли — это химические соединения, которые являются продуктами реакции нейтрализации гидроксидов с кислородными и бескислородными кислотами. Их общая формула — E_nR_m, где nE^m+ — катион основаниеобразующего элемента, а mR^n- — кислотный остаток.
   • Соли делятся на:
     • простые, включая бескислородные соли и кислородные соли. Они могут быть кислыми солями, иначе известными как гидросолями, которые являются продуктами неполного замещения гидридов в многопротонных кислотах, например, NH₄HS, KH₂PO₄. Гидроксисоли, т. е. щелочные соли, образующиеся в результате неполной нейтрализации гидроксильных групп гидроксидов, например, Al(OH)Cl₂, Mg(OH)Cl. Существуют также гидратные соли, такие как CuSO₄ 5H₂O;
     • комплексные соли, т. е. двойные и тройные соли, которые в своей структуре имеют соответственно два или три различных катиона, связанных с кислотным остатком. К ним принадлежат K₂SO₄·Al₂(SO₄)₃·24H₂O и KAl(SO₄)₂·12H₂O.

• Получение: реакция металла и неметалла, реакция кислотного ангидрида с основным ангидридом, действие кислоты на ангидрид основания и основания на ангидрид кислоты, реакция активного металла с кислотой, нейтрализация гидроксида кислотой.

Физическая химия

Это область науки, которая позволяет визуализировать и понять физические и химические преобразования материи, а также связанные с ними потоки энергии. Основным методом, применяемым в ходе исследований, является создание теоретических математических и физических моделей на основе экспериментальных наблюдений. Модель — это механизм, призванный отразить в максимально простой форме самые существенные характеристики рассматриваемого объекта или явления. Физическая химия занимается разработкой гипотез, теорий и законов природы применительно к своему предмету. Основными темами этого раздела химии являются термодинамика, химические равновесия, фазовые равновесия, термодинамические характеристики растворов, электрохимия, поверхностные явления и коллоиды, химическая кинетика и основы квантовой химии.

Квантовая химия

Это очень важный раздел теоретической химии, с помощью которой можно понять взаимодействия между атомами и молекулами и химические процессы, происходящие между ними. Применяя методы квантовой механики, можно определить множество параметров, в том числе энергию химических связей, углы между ними, магнитные моменты и ионизирующие потенциалы. Этот раздел химии был основан в 1927 году, когда трое ученых Э.У. Кондон, В. Хайтлер и Ф. Лондон начали исследования, направленные на выяснение связей, имеющихся в двухатомной молекуле водорода. В Польше Влодзимеж Колос, занимаясь тем же явлением, внес вклад в развитие квантовой химии. Его расчеты, касающиеся энергии диссоциации молекулы водорода, оказались более точными, чем спектроскопические методы.

Химическая кинетика

Это раздел физической химии, который занимается изучением скорости химических реакций с помощью экспериментального и теоретического анализа. Для того чтобы определить кинетическое уравнение реакции, необходимы экспериментальные данные о зависимости концентрации реагирующих веществ и скорости реакции. Кроме того, кинетика занимается определением влияния различных переменных, таких как катализаторы или изменение температуры, на скорость химической реакции. Получив экспериментальные данные, исследователи подвергают их теоретическому анализу, который позволяет определить механизм стехиометрии, а затем подобрать соответствующее кинетическое уравнение.

Химический анализ

Это раздел химии, которая охватывает качественные и количественные исследования состава веществ. Применяется ряд классических методов, таких как метод взвешивания и классическое титрование с индикаторами, а также постоянно развивающиеся физико-химические методы, также известные как инструментальные анализы. Это все виды анализов, которые требуют применения соответствующего оборудования, например, хроматографические методы, спектральный анализ или электрохимические методы, такие как вольтамперометрия и потенциометрия.

Области применения неорганической химии

В зависимости от вещества, неорганические химические вещества имеют широкий спектр применений практически во всех отраслях промышленности, а также в нашей повседневной жизни. Например:

• оксид азота(IV) NO₂ применяется как нитрующий агент, является окислителем и катализатором многих реакций, а также промежуточным продуктом, необходимым для производства азотной кислоты;
• оксид хрома(III) Cr₂O₃ из-за своего цвета применяется в качестве ингредиента в зеленых красках, а также во время окраски стекла и глазури на фарфоре;
• оксид кремния SiO₂, или песок, является строительным материалом в ряде очень важных продуктов, включая цемент, строительный раствор, стекло и керамику;
• гидрид кальция CaH₂ нашел применение при производстве чистых металлов из их оксидов, удалении следов влаги из органических жидкостей, а также служит в качестве источника водорода при наполнении воздушных шаров;
• гидрид лития LiH — сильный восстановитель и широко применяемый влагопоглотитель;
• гидрид азота NH₃, иначе известный как аммиак, применяется при производстве удобрений, а также является хладагентом;
• азотная кислота(V) HNO₃ широко применяется в промышленности, например, во время очистки металлических поверхностей, при производстве удобрений и пластмасс, а также лаков, и в фармацевтической промышленности;
• серная кислота(VI) H₂SO₄ является отличным бактерицидом, применяется при производстве фосфатных удобрений, синтетических волокон, во время рафинации масел и жиров, а также является электролитом в аккумуляторах;
• гидроксид натрия применяется в процессах производства мыла, целлюлозы, стиральных порошков, вискозного шелка и стекла;
• гидроксид калия применяется в качестве влагопоглощающего и отбеливающего вещества, является сырьем в процессах омыления и сорбентом для газов, таких как CO₂, из атмосферы.

Химические реакции с участием неорганических соединений:

1. Синтез, в ходе которого из минимум двух веществ образуется один продукт.
2. Анализ, или разложение, в ходе которого из одного субстрата образуется минимум два продукта.
3. Обмен, когда в ходе реакции происходит обмен компонентами между реагирующими веществами.
4. Окислительно-восстановительные реакции, в ходе которых изменяются степени окисления участвующих элементов.