เคมีเป็นศาสตร์แห่งการได้มาและสำรวจคุณสมบัติ โครงสร้าง และปฏิสัมพันธ์ทางเคมีต่างๆ ของธาตุและส่วนผสมของธาตุ โดยพื้นฐานแล้ว เคมีแบ่งออกเป็น เคมีอินทรีย์ ซึ่งสำรวจพันธะคาร์บอนเนื่องจากมีจำนวนและความจำเพาะสูง และเคมีอนินทรีย์ ซึ่งสำรวจพันธะของธาตุอื่นๆ ทั้งหมดและพันธะคาร์บอนเพียงเล็กน้อย ยกเว้นไฮโดรคาร์บอนและอนุพันธ์ของพวกมัน คำว่า “สารเคมี” ใช้กับทั้งสารประกอบอนินทรีย์ ได้แก่ สารประกอบที่ไม่มีคาร์บอนในรูปแบบอื่นนอกจากไซยาไนด์ ไอโซไซยาไนด์ ไทโอไซยาไนด์ ไซยาเนต ไทโอไซยาเนต คาร์บอเนต ไบคาร์บอเนต คาร์บอนออกไซด์ และคาร์ไบด์ ตลอดจนสารประกอบทุกชนิด แร่โลหะ แร่ธาตุ โลหะและโลหะผสม นอกจากความเชื่อมโยงกับฟิสิกส์แล้ว เคมีอนินทรีย์ยังสัมพันธ์กับศาสตร์อื่นๆ เช่น แร่วิทยา ธรณีวิทยา ธรณีเคมี เคมีจักรวาล และวิทยาศาสตร์ประยุกต์อีกหลายสาขา เช่น เทคโนโลยีเคมีอนินทรีย์ โลหะวิทยา และเซรามิกส์ ในแง่ของการวิจัยที่ดำเนินการแล้ว เคมีอนินทรีย์สามารถแบ่งออกเป็นความเชี่ยวชาญพิเศษต่างๆ ได้มากมาย เช่น เคมีอนินทรีย์ที่ใช้งานได้จริงเกี่ยวกับการได้รับสารประกอบใหม่ เทคโนโลยีเคมีอนินทรีย์มุ่งเน้นไปที่กระบวนการผลิตขนาดใหญ่ของสารประกอบอนินทรีย์ และเคมีอนินทรีย์เชิงวิเคราะห์มีจุดมุ่งหมายในการสำรวจโครงสร้างของ สนใจในด้านคุณภาพและปริมาณ คำถามที่สำคัญเกี่ยวกับเคมีอนินทรีย์ ได้แก่ จลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาเคมี แร่วิทยา และ เคมีกายภาพ
ธรรมชาติของเคมีอนินทรีย์
ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา ความสนใจในวิชาเคมีได้เพิ่มขึ้นและมีเป้าหมายมากขึ้น ในขั้นต้นในศตวรรษที่ 18 เคมีอนินทรีย์ในทางปฏิบัติได้ลดลงไปถึงการสำรวจกระบวนการเผาไหม้ ในศตวรรษที่ 19 การวิจัยเริ่มต้นขึ้นเกี่ยวกับธาตุที่หาได้ง่าย เช่น ไฮโดรเจน ออกซิเจน และอะลูมิเนียม ในปัจจุบัน เทคนิคการวิจัยที่ได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องช่วยให้สามารถแยกและทำให้บริสุทธิ์ธาตุหายากที่พิจารณาสำหรับการใช้งานในด้านต่างๆ ของเทคโนโลยี เนื่องจากได้รับข้อมูลมากขึ้นเกี่ยวกับธาตุต่างๆ เช่น แกลเลียม ไนโอเบียม แทนทาลัม เซอร์โคเนียม เบริลเลียม ไททาเนียม และสารประกอบของธาตุเหล่านี้ เนื่องจากการค้นพบกัมมันตภาพรังสีและการเปลี่ยนแปลงของกัมมันตภาพรังสี ทำให้สามารถขยายขอบเขตการวิจัยทางเคมีไปยังธาตุที่มีนิวเคลียสไม่เสถียรได้ สาขาวิชาเคมีอนินทรีย์อื่น ๆ เช่นผลึกศาสตร์และเคมีสถานะของแข็งโดยรวมก็มีความสำคัญเช่นกัน
การกำหนดโครงสร้างของสารประกอบอนินทรีย์
การทดสอบทางกายภาพและเคมีมักใช้เพื่อจำแนกสารในแง่ของโครงสร้าง เหล่านี้รวมถึง:
- วิธีการทางสเปกโทรสโกปีซึ่งมุ่งเน้นไปที่รังสีทุกรูปแบบ เป็นผลให้สามารถตีความสเปกตรัมที่ได้รับได้ เทคนิคกลุ่มนี้ประกอบด้วย เช่น IR, NMR และ UV-Vis spectroscopy
- วิธีการเลี้ยวเบน ใช้สำหรับกำหนดลักษณะทั้งหมดของผลึก รวมทั้งขนาด รูปร่าง และการจัดเรียงอะตอม เช่น เอกซ์เรย์ผลึกศาสตร์และอิเล็กโทรกราฟี
การจำแนกประเภทของสารประกอบอนินทรีย์
- ออกไซด์เป็นสารประกอบของออกซิเจนกับองค์ประกอบอื่นๆ โดยมีสูตรทั่วไปคือ E n O m ซึ่งออกซิเจนจะอยู่ในสถานะออกซิเดชัน -2 เสมอ
- เนื่องจากคุณสมบัติทางกายภาพ ออกไซด์จึงถูกแบ่งออกเป็น:
- ออกไซด์ของโลหะ ได้แก่ ของแข็งที่มีความหนาแน่นสูงและมีจุดหลอมเหลว ซึ่งนำไฟฟ้าได้เมื่อหลอมละลาย สารเหล่านี้มักมีลักษณะเฉพาะด้วยสี เช่น เหล็ก(III) ออกไซด์ (Fe 2 O 3 ) เป็นสีน้ำตาลแดง ตะกั่ว(IV) ออกไซด์ (Pb 3 O 4 ) มีสีเหลือง ปรอท(II) ออกไซด์ (HgO) มีสีเหลือง หรือ สีแดงและโครเมียม(III) ออกไซด์เป็นสีเขียว
- ออกไซด์อื่นๆ – ออกไซด์ของโลหะและอโลหะมีสถานะทางกายภาพต่างกัน เช่น ก๊าซ เช่น คาร์บอน(II) ออกไซด์ (CO) คาร์บอน(IV) ออกไซด์ (CO 2 ) และกำมะถัน(IV) ออกไซด์ (SO 2 ) ของแข็ง รวมทั้ง ฟอสฟอรัส(V) ออกไซด์ (P 4 O 10 ) และซิลิกอน(IV) ออกไซด์ (SiO 2 ) และของเหลว เช่น ไฮโดรเจนออกไซด์ คือ น้ำ (H 2 O)
- เนื่องจากคุณสมบัติทางเคมี ออกไซด์จึงถูกแบ่งออกเป็น:
- สารประกอบที่เป็นกรดทำปฏิกิริยากับน้ำเพื่อสร้างกรดและกับเบสเพื่อสร้างเกลือ เหล่านี้ได้แก่ คาร์บอน(IV) ออกไซด์ (CO 2 ) ฟอสฟอรัส(V) ออกไซด์ (P 4 O 10 ) ซัลเฟอร์(VI) ออกไซด์ (SO 3 ) และไนโตรเจน(III) ออกไซด์ (N 2 O 3 )
- สารประกอบอัลคาไลน์ทำปฏิกิริยากับน้ำเพื่อสร้างเบสและกับกรดเพื่อสร้างเกลือ เหล่านี้ส่วนใหญ่เป็นออกไซด์ที่มีองค์ประกอบในหมู่ 1 และ 2 ของตารางธาตุนอกเหนือจากเบริลเลียม ได้แก่ โซเดียมออกไซด์ (Na 2 O) แคลเซียมออกไซด์ (CaO) และโพแทสเซียมออกไซด์ (K 2 O)
- สารประกอบแอมโฟเทอริกทำปฏิกิริยากับทั้งกรดและเบสเกิดเป็นเกลือ อย่างไรก็ตามพวกมันไม่ทำปฏิกิริยากับน้ำ ได้แก่: ซิงค์ออกไซด์ (ZnO), อะลูมิเนียมออกไซด์ (Al 2 O 3 ), เบริลเลียมออกไซด์ (BeO) และแมงกานีส (II) ออกไซด์ (MnO)
- การเตรียมการ: การสังเคราะห์โดยตรง การสลายตัวด้วยความร้อนของเกลือ ไฮดรอกไซด์และออกไซด์ การเกิดออกซิเดชันของออกไซด์ในสถานะออกซิเดชันที่ต่ำกว่าและการลดลงของออกไซด์ในสถานะออกซิเดชันที่สูงขึ้น การเผาไหม้ของสารประกอบอินทรีย์
- ไฮไดรด์ประกอบด้วยไฮโดรเจนรวมกับธาตุอื่น ขึ้นอยู่กับกลุ่มตารางธาตุที่พบธาตุ สูตรทั่วไปสามารถแสดงเป็น EH n – สำหรับกลุ่ม 1–15 เช่น NH 3 และ H n E สำหรับกลุ่ม 16 และ 17 เช่น H 2
- เนื่องจากธรรมชาติของพันธะ ไฮไดรด์จึงถูกแบ่งออกเป็น:
- โลหะซึ่งเกิดจากองค์ประกอบ d-block และไม่สามารถระบุองค์ประกอบทางเคมีโดยใช้สูตรง่ายๆ เช่น TiH 1.73 ,
- น้ำเกลือ โดยทั่วไปสำหรับองค์ประกอบของหมู่ 1 และ 2 (s-block) และแลนทาไนด์ โดยที่ไฮโดรเจนอยู่ในสถานะออกซิเดชัน -1 เสมอ ยกเว้นเบริลเลียมและแมกนีเซียมไฮไดรด์
- โควาเลนต์ซึ่งเกิดจากองค์ประกอบของหมู่ 13 (B), 14-17 และไฮโดรเจนมีอยู่ในสถานะออกซิเดชัน +1
- เนื่องจากคุณสมบัติทางเคมี ไฮไดรด์สามารถแบ่งออกเป็น:
- เฉื่อยซึ่งไม่ทำปฏิกิริยากับน้ำ เช่น CH 4 ,
- ที่เป็นกรดซึ่งทำปฏิกิริยากับน้ำเพื่อสร้างกรดและกับเบสเพื่อสร้างเกลือ เช่น HCl, HI,
- อัลคาไลน์ซึ่งสร้างอะนาลอกเบสกับน้ำและเกลือกับกรด เช่น NH 3
- การเตรียมการ: การสังเคราะห์โดยตรง ปฏิกิริยาการแทนที่
- กรดเป็นสารเคมีอนินทรีย์ที่ประกอบด้วยไฮโดรเจนไอออนบวก (ไฮโดรเนียมไอออน) และสารตกค้างของกรด สูตรทั่วไปคือ: H n R โดยที่ R คือสารตกค้างที่เป็นกรด
- ตามประเภทของกรดที่ตกค้าง กรดสามารถแบ่งออกเป็น:
- ไฮดราซิด ซึ่งกรดตกค้างเกิดจากอะตอมที่ไม่ใช่โลหะ เหล่านี้คือสารละลายที่เป็นน้ำของไฮไดรด์ที่ไม่ใช่โลหะ เช่น กรดไฮโดรคลอริก (HCl) กรดไฮโดรซัลฟูริก (H 2 S) และกรดไฮโดรฟลูออริก (HF)
- การเตรียมไฮดราซิด: การสังเคราะห์โดยตรง การละลายผลิตภัณฑ์ที่เป็นก๊าซในน้ำ
- ออกซิแอซิด ซึ่งกรดที่ตกค้างนั้นเกิดจากกลุ่มที่มีอะตอมของอโลหะและอะตอมของออกซิเจน กรดเหล่านี้ได้มาจากการละลายออกไซด์ของอโลหะที่เกี่ยวข้องในน้ำ Oxyacids ได้แก่ เช่น กรดไนตริก (HNO 3 ), กรดซัลฟิวริก (H 2 SO 4 ) และกรดฟอสฟอริก (H 3 PO 4 ),
- การเตรียม Oxyacids: การละลายออกไซด์ (กรดแอนไฮไดรด์) ในน้ำ
- กรดทั้งสองชนิดสามารถเตรียมได้โดยการบำบัดเกลือของกรดที่ผลิตด้วยกรดอื่นที่มีความแรงมากกว่า
- ไฮดรอกไซด์ เป็นสารประกอบที่สามารถทำหน้าที่เป็นตัวรับโปรตอนหรือที่สามารถปลดปล่อยหมู่ไฮดรอกซิลได้ สูตรทั่วไปของไฮดรอกไซด์คือ E(OH) n และหมู่ไฮดรอกซิลมีวาเลนซีเท่ากับ 1 ไฮดรอกไซด์แต่ละชนิดทำปฏิกิริยากับกรดเพื่อสร้างเกลือในปฏิกิริยาสะเทิน
- เนื่องจากลักษณะทางเคมี ไฮดรอกไซด์จึงถูกแบ่งออกเป็น:
- การเตรียมการ: การละลายของออกไซด์ (เบสแอนไฮไดรด์) ในน้ำ, ปฏิกิริยาของธาตุหมู่ที่ 1 และ 2 กับน้ำ, ปฏิกิริยาของไฮไดรด์กับน้ำ, ปฏิกิริยาการแทนที่ระหว่างเบสแก่กับเกลือของธาตุที่ออกไซด์ไม่ละลายในน้ำ
- เกลือ เป็นสารประกอบทางเคมีที่สร้างขึ้นจากปฏิกิริยาสะเทินของไฮดรอกไซด์กับออกซีแอซิดและไฮดราซิด สูตรทั่วไปคือ E n R m โดยที่ nE m+ เป็นไอออนบวกที่ก่อตัวเป็นเบส และ mR n- เป็นกรดตกค้าง
- เกลือแบ่งออกเป็น:
- อย่างง่าย ได้แก่ เกลือไฮดราซิดและออกซิแอซิด สิ่งเหล่านี้อาจเป็นเกลือของกรด ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ของการแทนที่ของไฮไดรด์ในกรดโพลีโพรติกที่ไม่สมบูรณ์ เช่น NH 4 HS, KH 2 PO 4 เกลือพื้นฐาน เช่น เกลืออัลคาไลเกิดขึ้นจากการทำให้เป็นกลางที่ไม่สมบูรณ์ของกลุ่มไฮดรอกซิลของไฮดรอกไซด์ เช่น Al(OH)Cl 2 , Mg(OH)Cl นอกจากนี้ยังมีเกลือไฮเดรต เช่น CuSO 4 ·5H 2 O
- เชิงซ้อน ได้แก่ เกลือสองเท่าและเกลือสามเท่า ซึ่งมีไอออนบวกสองหรือสามชนิดที่แตกต่างกันตามลำดับ ซึ่งเชื่อมโยงกับกรดตกค้างในโครงสร้าง ซึ่งรวมถึง K 2 SO 4 ·Al 2 (SO 4 ) 3 ·24H 2 O และ KAl(SO 4 ) 2 ·12H 2 O,
- การเตรียมการ: ปฏิกิริยาของโลหะและอโลหะ ปฏิกิริยาของแอซิดแอนไฮไดรด์กับเบสแอนไฮไดรด์ การบำบัดเบสแอนไฮไดรด์ด้วยกรดและของแอซิดแอนไฮไดรด์กับเบส ปฏิกิริยาของโลหะแอคทีฟกับกรด การทำให้เป็นกลางของ a ไฮดรอกไซด์กับกรด
เคมีกายภาพ
เป็นสาขาวิชาวิทยาศาสตร์ที่ช่วยให้เห็นภาพและเข้าใจการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพและทางเคมีของสสารพร้อมกับการไหลของพลังงานที่เกี่ยวข้อง วิธีการพื้นฐานที่ใช้ในระหว่างการวิจัยคือการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์และกายภาพตามทฤษฎีจากการสังเกตการทดลอง แบบจำลองเป็นกลไกที่ใช้ในการสะท้อนคุณลักษณะที่สำคัญที่สุดของวัตถุหรือปรากฏการณ์ที่พิจารณาด้วยวิธีที่ง่ายที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เคมีเชิงฟิสิกส์เกี่ยวข้องกับการสร้างสมมติฐาน ทฤษฎี และกฎของธรรมชาติที่เกี่ยวข้องกับเรื่องของมัน ประเด็นหลักของสาขาเคมีนี้คือ: อุณหพลศาสตร์ สมดุลเคมี สมดุลเฟส ลักษณะทางอุณหพลศาสตร์ของสารละลาย เคมีไฟฟ้า ปรากฏการณ์พื้นผิวและ คอลลอยด์ จลนพลศาสตร์เคมีและพื้นฐานของเคมีควอนตัม
เคมีควอนตัม
นี่เป็นสาขาวิชาเคมีเชิงทฤษฎีที่สำคัญมาก ช่วยให้เข้าใจปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมและโมเลกุลตลอดจนกระบวนการทางเคมีระหว่างกัน ด้วยการใช้กลศาสตร์ควอนตัม ทำให้สามารถกำหนดพารามิเตอร์ต่างๆ ได้มากมาย รวมถึงพลังงานของพันธะเคมี มุมระหว่างอะตอม โมเมนต์แม่เหล็ก และศักยภาพในการแตกตัวเป็นไอออน สาขาวิชาเคมีนี้เริ่มต้นขึ้นในปี 1927 เมื่อนักวิทยาศาสตร์ 3 คน ได้แก่ EU Condon, W. Heitler และ F. London ได้เริ่มทำการวิจัยเพื่ออธิบายพันธะในโมเลกุลไฮโดรเจนไดอะตอมมิก ในโปแลนด์ Włodzimierz Kołos ซึ่งทำงานเกี่ยวกับปรากฏการณ์เดียวกันนี้ ได้มีส่วนร่วมในการพัฒนาเคมีควอนตัมด้วย การคำนวณพลังงานการแยกตัวของโมเลกุลไฮโดรเจนของเขามีความแม่นยำมากกว่าวิธีทางสเปกโทรสโกปี
จลนพลศาสตร์เคมี
นี่คือสาขาหนึ่งของเคมีเชิงฟิสิกส์ที่สำรวจอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีโดยใช้การวิเคราะห์เชิงทดลองและเชิงทฤษฎี เพื่อกำหนดสมการจลน์ของปฏิกิริยา ข้อมูลการทดลองเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของสารตั้งต้นและอัตราการเกิดปฏิกิริยาเป็นสิ่งจำเป็น นอกจากนี้ จลนพลศาสตร์เกี่ยวข้องกับการพิจารณาผลกระทบของตัวแปรต่างๆ เช่น ตัวเร่งปฏิกิริยาหรือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี เมื่อมีข้อมูลการทดลองที่จำเป็น นักวิจัยจะทำการวิเคราะห์ทางทฤษฎี ซึ่งช่วยให้สามารถกำหนดปริมาณสารสัมพันธ์และเลือกสมการอัตราที่เหมาะสมได้
การวิเคราะห์ทางเคมี
เป็นสาขาวิชาเคมีที่ศึกษาองค์ประกอบเชิงคุณภาพและเชิงปริมาณของสาร เพื่อจุดประสงค์นี้ มีการใช้วิธีการแบบดั้งเดิมจำนวนหนึ่ง เช่น วิธีการแบบกราวิเมตริกและการไทเทรตแบบคลาสสิกโดยใช้ตัวบ่งชี้ ตลอดจนการพัฒนาวิธีการทางกายภาพและทางเคมีอย่างต่อเนื่อง หรือที่เรียกว่าการวิเคราะห์ด้วยเครื่องมือ ทั้งหมดนี้เป็นการทดสอบที่ต้องใช้อุปกรณ์ที่เหมาะสม เช่น เทคนิคโครมาโตกราฟี การวิเคราะห์สเปกตรัม หรือวิธีการทางเคมีไฟฟ้า เช่น โวลต์แทมเมทรีและ โพเทนชิโอเมตรี
การประยุกต์ใช้เคมีอนินทรีย์
สารเคมีอนินทรีย์มีการใช้งานจำนวนมากในเกือบทุกอุตสาหกรรมเช่นเดียวกับในชีวิตประจำวันทั้งนี้ขึ้นอยู่กับสารนั้น เพื่อยกตัวอย่าง:
- ไนตริก(IV) ออกไซด์ (NO 2 ) ใช้เป็นสารไนเตรต เป็นสารออกซิแดนท์และตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับปฏิกิริยาต่างๆ และยังเป็นตัวกลางที่จำเป็นในการผลิตกรดไนตริก
- เนื่องจากสีของโครเมียม (III) ออกไซด์ (Cr 2 O 3 ) จึงถูกใช้เป็นส่วนประกอบของ สี เขียวและสำหรับการย้อมสีกระจกและเคลือบพอร์ซเลน
- ซิลิกอนออกไซด์ (SiO 2 ) เช่น ทรายทั่วไป เป็นส่วนประกอบของผลิตภัณฑ์ที่สำคัญมากหลายอย่าง รวมทั้งซีเมนต์ ปูน แก้ว และเซรามิก
- แคลเซียมไฮไดรด์ (CaH 2 ) ถูกนำมาใช้ในการผลิตโลหะบริสุทธิ์จากออกไซด์ การกำจัดน้ำออกจากของเหลวอินทรีย์ และยังเป็นแหล่งของไฮโดรเจนในการพองลูกโป่ง
- ลิเธียมไฮไดรด์ (LiH) เป็นตัวลดแรงและสารดูดความชื้นที่ใช้กันทั่วไป
- ไนโตรเจนไฮไดรด์ (NH 3 ) หรือที่เรียกว่าแอมโมเนีย ใช้ในการผลิตปุ๋ยและเป็นสารทำความเย็น
- กรดไนตริก (HNO 3 ) มีการใช้งานทางอุตสาหกรรมที่หลากหลาย เช่น ใช้สำหรับทำความสะอาดพื้นผิวโลหะ เพื่อให้ได้ปุ๋ย พลาสติก และสารเคลือบเงา รวมถึงในอุตสาหกรรมยา
- กรดซัลฟิวริก (H 2 SO 4 ) เป็นสารฆ่าเชื้อแบคทีเรียที่ดี ใช้ในการผลิตปุ๋ยฟอสเฟต เส้นใยประดิษฐ์ และในระหว่างการกลั่นน้ำมันและไขมัน นอกจากนี้ยังใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์ในแบตเตอรี่
- โซเดียมไฮดรอกไซด์ ใช้ใน การผลิตสบู่ เซลลูโลส ผงซักฟอก วิสโคสเรยอน และแก้ว
- โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ เป็นสารดูดความชื้นและผลิตภัณฑ์ฟอกขาว เป็นวัตถุดิบสำหรับซาพอนิฟิเคชัน เป็นก๊าซ เช่น CO 2 ในชั้นบรรยากาศ สารดูดซับ
ปฏิกิริยาเคมีที่เกี่ยวข้องกับสารประกอบอนินทรีย์:
- การสังเคราะห์ ในระหว่างที่หนึ่งผลิตภัณฑ์เกิดจากสารตั้งแต่สองชนิดขึ้นไป
- การสลายตัว เช่น การสลายตัว ในระหว่างที่มีผลิตภัณฑ์อย่างน้อยสองชนิดเกิดขึ้นจากสารตั้งต้นหนึ่งชนิด
- การแทนที่ เมื่อมีการแลกเปลี่ยนส่วนประกอบระหว่างสารตั้งต้นระหว่างปฏิกิริยา
- รีดอกซ์ ได้แก่ ปฏิกิริยาออกซิเดชันและการรีดักชัน ในระหว่างที่สถานะออกซิเดชันของธาตุที่เกี่ยวข้องเปลี่ยนไป