Неорганічна хімія

Хімія – це наука про отримання та дослідження різних властивостей, структур і хімічних взаємодій елементів та їх комбінацій. По суті, хімія поділяється на органічну хімію , яка досліджує вуглецеві зв’язки через їх велику кількість і специфічність, і неорганічну хімію, яка досліджує зв’язки всіх інших елементів і невелику частину вуглецевих зв’язків, за винятком вуглеводнів та їх похідних. Термін «хімічна речовина» використовується як для неорганічних сполук, тобто тих, які не містять вуглець у формі, відмінній від ціаніду, ізоціаніду, тіоціаніду, ціанату, тіоціанату, карбонату, бікарбонату, оксидів і карбідів вуглецю, а також для всіх видів руди металів, мінерали, метали та їх сплави. Крім зв’язків з фізикою, неорганічна хімія також взаємопов’язана з іншими науками, такими як мінералогія, геологія, геохімія, космохімія, а також з багатьма галузями прикладної науки, наприклад, технологією неорганічної хімії, металургією та керамікою. З точки зору проведених досліджень, неорганічну хімію можна розділити на багато різних спеціальностей, наприклад, практична неорганічна хімія займається отриманням нових сполук, неорганічна хімічна технологія зосереджена на процесі великомасштабного виробництва неорганічних сполук, а аналітична неорганічна хімія спрямована на дослідження структур інтерес з точки зору якості та кількості. До важливих питань неорганічної хімії належать також кінетика хімічних реакцій, мінералогія та фізична хімія .

Природа неорганічної хімії

З роками інтерес до хімії зріс і став більш цілеспрямованим. Спочатку, в 18 столітті, неорганічна хімія на практиці зводилася до вивчення процесів горіння. У 19 столітті почалися дослідження легкодоступних елементів, таких як водень, кисень і алюміній. В даний час постійно вдосконалювані методи дослідження дозволяють навіть виділяти і очищати рідкісні елементи, які розглядаються для застосування в різних областях техніки. Це пов’язано з отриманням все нових і нових даних про такі елементи, як галій, ніобій, тантал, цирконій, берилій, титан і їх сполуки. Завдяки відкриттю радіоактивності і радіоактивних перетворень вдалося поширити сферу хімічних досліджень на елементи з нестабільними ядрами. Інші дисципліни неорганічної хімії, такі як кристалографія і хімія твердого тіла в цілому, також набувають значення.

Визначення будови неорганічних сполук

Фізичні та хімічні тести зазвичай використовуються для класифікації речовини з точки зору її структури. До них належать:

• спектроскопічні методи, які зосереджуються на всіх формах випромінювання. В результаті можна інтерпретувати отримані спектри. Ця група методів включає, наприклад, ІЧ, ЯМР та УФ-видиму спектроскопію,
• дифракційні методи, що використовуються для визначення повних характеристик кристала, включаючи його розміри, форму та розташування атомів, наприклад рентгенівська кристалографія та електронографія.

Класифікація неорганічних сполук

1. Оксиди — це сполуки кисню з іншими елементами, що мають загальну формулу E _n O _m , у якій кисень завжди присутній у ступені окиснення -2.
   • За своїми фізичними властивостями оксиди поділяють на:
     • оксиди металів, тобто тверді речовини високої щільності і температури плавлення, які при плавленні проводять електричний струм. Ці речовини часто характеризують за кольором, наприклад, оксид заліза (III) (Fe ₂ O ₃ ) — коричнево-червоний, оксид свинцю (IV) (Pb ₃ O ₄ ) — жовтий, оксид ртуті (II) (HgO) — жовтий або червоний, а хром(III) оксид зелений,
     • інші оксиди – оксиди металоїдів і неметалів мають різні агрегатні стани, наприклад, газоподібні, такі як карбон(II) оксид (CO), карбон(IV) оксид (CO ₂ ) і сірки (IV) оксид (SO ₂ ), тверді в т.ч. оксид фосфору(V) (P ₄ O ₁₀ ) і силіцій(IV) оксид (SiO ₂ ) і рідина, наприклад оксид водню, тобто вода (H ₂ O).
   • За хімічними властивостями оксиди поділяються на:
     • кислотні сполуки, що реагують з водою з утворенням кислот і з основами з утворенням солей. Це, наприклад, карбон (IV) оксид (CO ₂ ), фосфор (V) оксид (P ₄ O ₁₀ ), сульфур (VI) оксид (SO ₃ ) і нітроген (III) оксид (N ₂ O ₃ ),
     • лужні сполуки, що реагують з водою з утворенням основ і з кислотами з утворенням солей. В основному це оксиди з елементами 1 і 2 груп періодичної системи, крім берилію, тобто оксид натрію (Na ₂ O), оксид кальцію (CaO) і оксид калію (K ₂ O),

• амфотерні сполуки, що реагують як з кислотами, так і з основами з утворенням солей. Однак вони не реагують з водою. До них відносяться: оксид цинку (ZnO), оксид алюмінію (Al ₂ O ₃ ), оксид берилію (BeO) і оксид мангану (II) (MnO).

1. Отримання: прямий синтез, термічний розклад солей, гідроксидів і оксидів, окиснення оксидів у нижчих ступенях окиснення і відновлення оксидів у вищих ступенях окиснення, спалювання органічних сполук.

2. Гідриди складаються з водню, поєднаного з іншим елементом. Залежно від групи таблиці Менделєєва, в якій міститься елемент, загальна формула може бути представлена ​​як EH _n – для груп 1–15, наприклад NH ₃ , і H _n E для груп 16 і 17, наприклад H ₂
   • За характером зв’язку гідриди поділяються на:
     • металеві, які утворені елементами d-блоку, і хімічний склад яких неможливо визначити за допомогою простих формул, наприклад TiH _1,73 ,
     • соляний, характерний для елементів 1 і 2 груп (s-блок) і лантаноїдів, де водень завжди знаходиться в ступені окислення -1, за винятком берилію і гідриду магнію,

• ковалентні, які утворені елементами 13 (Б), 14-17 груп і в яких водень присутній у ступені окиснення +1.

• За своїми хімічними властивостями гідриди можна розділити на:
  • інертні, які не реагують з водою, наприклад CH ₄ ,
  • кислотні, які реагують з водою з утворенням кислот і з основами з утворенням солей, наприклад HCl, HI,

• лужні, які аналогічно утворюють основи з водою і солі з кислотами, наприклад NH ₃ .
• Отримання: прямий синтез, реакції заміщення.

3. Кислоти – це неорганічні хімічні речовини, які складаються з катіонів водню (іонів гідроній) і кислотного залишку. Їх загальна формула: H _n R, де R – кислотний залишок.
   • За типом кислотного залишку кислоти поділяють на:
     • гідрациди , в яких кислотний залишок утворений атомами неметалів. Це водні розчини гідридів неметалів, наприклад соляної кислоти (HCl) , сірководневої кислоти (H ₂ S) і плавикової кислоти (HF),
     • Отримання гідрацидів: прямий синтез, розчинення газоподібного продукту у воді,

• оксикислоти , в яких кислотний залишок утворений групою, що містить атоми неметалів і атоми кисню. Ці кислоти отримують розчиненням у воді оксидів відповідних неметалів. Оксикислоти включають, наприклад, азотну кислоту (HNO ₃ ), сірчану кислоту (H ₂ SO ₄ ) і фосфорну кислоту (H ₃ PO ₄ ),
• Приготування оксикислот: розчинення оксиду (ангідриду кислоти) у воді
• Обидва типи кислот можна одержати шляхом обробки солі отриманої кислоти іншою кислотою більшої сили.

4. Гідроксиди – це сполуки, які можуть діяти як акцептори протонів або які здатні вивільняти гідроксильні групи. Загальна формула гідроксидів E(OH) _n , а гідроксильна група має валентність 1. Кожен гідроксид реагує з кислотами з утворенням солі в реакції нейтралізації.
   • За хімічною природою гідроксиди поділяються на:
     • лужні, які утворюються металами груп 1 і 2, за винятком берилію і магнію, і метали d-блоку в їх найнижчому ступені окислення. У реакції з кислотами вони утворюють солі, такі як гідроксид літію (Li(OH)) і гідроксид кальцію (Ca(OH) ₂ ) ,
     • амфотерні , які утворюють солі в реакціях як з кислотами, так і з основами. До них належать, наприклад, гідроксид алюмінію (Al(OH) ₃ ) , гідроксид міді (II) (Cu(OH) ₂ ), гідроксид хрому (III) (Cr(OH) ₃ ) і гідроксид цинку (Zn(OH) ₂ ) ,

• Отримання: розчинення оксиду (основного ангідриду) у воді, реакція елементів 1 і 2 груп з водою, реакція гідридів з водою, реакція заміщення між сильною основою і сіллю елемента, оксид якого нерозчинний у воді.

5. Солі – це хімічні сполуки, що утворюються в результаті реакції нейтралізації гідроксидів оксикислотами та гідрацидами. Їх загальна формула E _n R _m , де nE ^m+ — катіон, що утворює основу, а mR ^n- — кислотний залишок.
   • Солі поділяють на:
     • прості, включаючи гідратні та оксикислотні солі. Це можуть бути кислі солі, які є продуктами неповного витіснення гідридів у поліпротонних кислотах, наприклад NH ₄ HS, KH ₂ PO ₄ . Основні солі, тобто лужні солі, що утворюються внаслідок неповної нейтралізації гідроксильних груп гідроксидів, наприклад Al(OH)Cl ₂ , Mg(OH)Cl. Існують також гідратовані солі, наприклад CuSO ₄ ·5H ₂ O.
     • комплексні, тобто подвійні і потрійні солі, які мають у своїй структурі відповідно два або три різних катіони, пов’язані з кислотним залишком. До них відносяться K ₂ SO ₄ ·Al ₂ (SO ₄ ) ₃ · 24H ₂ O і KAl(SO ₄ ) ₂ · 12H ₂ O,

• Отримання: взаємодія металу і неметалу, реакція ангідриду кислоти з ангідридом основи, обробка ангідриду основи кислотою і ангідриду кислоти основою, реакція активного металу з кислотою, нейтралізація гідроксид з кислотою.

Фізична хімія

Це галузь науки, яка дозволяє візуалізувати та зрозуміти фізичні та хімічні перетворення речовини разом із пов’язаними потоками енергії. Основним методом дослідження є створення теоретичних математичних і фізичних моделей на основі експериментальних спостережень. Модель – це механізм, що використовується для максимально простого відображення найважливіших особливостей об’єкта або явища, що розглядається. Фізична хімія передбачає створення гіпотез, теорій і законів природи щодо свого предмета. Основними питаннями цього розділу хімії є: термодинаміка , хімічні рівноваги , фазові рівноваги, термодинамічні характеристики розчинів, електрохімія , поверхневі явища та колоїди , хімічна кінетика та основи квантової хімії.

Квантова хімія

Це дуже важлива галузь теоретичної хімії. Це дозволяє зрозуміти взаємодію між атомами та молекулами, а також хімічні процеси між ними. Завдяки використанню квантової механіки можна визначити багато параметрів, включаючи енергію хімічних зв’язків, кути між атомами, магнітні моменти та іонізуючі потенціали. Цей напрямок хімії було започатковано в 1927 році, коли троє вчених, Е. У. Кондон, В. Гейтлер і Ф. Лондон, розпочали дослідження, щоб пояснити зв’язки в двоатомній молекулі водню. У Польщі Влодзімєж Колос, який працював над тим же явищем, також зробив внесок у розвиток квантової хімії. Його розрахунки енергії дисоціації молекули водню виявилися більш точними, ніж спектроскопічні методи.

Хімічна кінетика

Це розділ фізичної хімії, який вивчає швидкість хімічних реакцій за допомогою експериментального та теоретичного аналізу. Щоб визначити кінетичне рівняння реакції, необхідні експериментальні дані про співвідношення між концентрацією реагентів і швидкістю реакції. Крім того, кінетика має справу з визначенням впливу різних змінних, таких як каталізатори або зміна температури, на швидкість хімічної реакції. Маючи необхідні експериментальні дані, дослідники проводять теоретичний аналіз, який дозволяє визначити стехіометрію, а потім підібрати відповідне рівняння швидкості.

Аналітична хімія

Це розділ хімії, який вивчає якісний і кількісний склад речовин. Для цього використовується ряд класичних методів, таких як гравіметричні методи та класичне титрування з використанням індикаторів, а також постійно розвиваються фізичні та хімічні методи, також відомі як інструментальний аналіз. Усі ці тести вимагають використання відповідного обладнання, наприклад, хроматографічних методів, спектрального аналізу або електрохімічних методів, таких як вольтамперометрія та потенціометрія .

Застосування неорганічної хімії

Залежно від речовини, неорганічні хімічні речовини мають ряд застосувань майже в кожній галузі промисловості, а також у повсякденному житті. Наведу приклад:

• оксид азоту (IV) (NO ₂ ) використовується як нітруючий агент, є окисником і каталізатором багатьох реакцій, а також є проміжним продуктом, необхідним у виробництві азотної кислоти,
• завдяки своєму кольору оксид хрому (III) (Cr ₂ O ₃ ) використовується як компонент зелених фарб і для тонування скляної та порцелянової глазурі,
• оксид кремнію (SiO ₂ ), тобто звичайний пісок, є компонентом багатьох дуже важливих продуктів, включаючи цемент, розчин, скло та кераміку,
• гідрид кальцію (CaH ₂ ) використовувався для виробництва чистих металів з їх оксидів, видалення води з органічних рідин, а також як джерело водню для надування повітряних куль,
• гідрид літію (LiH) є сильним відновником і широко використовуваним осушувачем,
• гідрид азоту (NH ₃ ), також відомий як аміак, використовується у виробництві добрив і як холодоагент,
• азотна кислота (HNO ₃ ) має широкий спектр промислового застосування, наприклад, використовується для очищення металевих поверхонь, для отримання добрив, пластмас і лаків, а також у фармацевтичній промисловості,
• сірчана кислота (H ₂ SO ₄ ) — чудовий бактерицид, використовується у виробництві фосфорних добрив, штучних волокон і при рафінації олії та жирів; він також використовується як електроліт в батареях,
• гідроксид натрію використовується у виробництві мила , целюлози , пральних порошків, віскозного шовку та скла,
• гідроксид калію є осушувачем і відбілюючим продуктом; це сировина для омилення, це газ, наприклад, атмосферний CO ₂ , поглинач .

Хімічні реакції за участю неорганічних сполук:

1. Синтез, під час якого з двох і більше речовин утворюється один продукт.
2. Розкладання, тобто розпад, під час якого з одного субстрату утворюється не менше двох продуктів.
3. Витіснення, коли компоненти обмінюються між реагентами під час реакції.
4. Окисно-відновні, тобто реакції окислення і відновлення, під час яких змінюються ступені окислення елементів, що беруть участь.