Inorganic chemistry

Die anorganische Chemie befasst sich mit der Herstellung und dem Verhalten anorganischer und metallorganischer Verbindungen. Im Allgemeinen konzentriert sie sich auf Verbindungen, die nicht auf Kohlenstoff basieren, dem Bereich der organischen Chemie, aber diese Grenze ist nicht streng, insbesondere im gemeinsamen Bereich der metallorganischen Chemie. Das Feld berührt nahezu jeden Teil der chemischen Industrie, von der Katalyse und Materialwissenschaft bis hin zu Pigmenten, Tensiden, Beschichtungen, Arzneimitteln, Kraftstoffen und der Landwirtschaft.

Viele anorganische Verbindungen kommen natürlicherweise als Mineralien vor. So kann Boden beispielsweise Eisensulfid als Pyrit oder Calciumsulfat als Gips enthalten. Diese Verbindungen spielen auch in der Biologie wichtige Rollen, indem sie als Elektrolyte (wie Natriumchlorid) wirken, Energie speichern (wie in ATP) oder strukturelle Teile bilden (wie das Polyphosphat-Rückgrat der DNA).

Die Bindung in anorganischen Verbindungen ist sehr unterschiedlich. Einige sind ionisch, bestehen aus einfachen Kationen und Anionen, die durch Ionenbindungen zusammengehalten werden. Beispiele hierfür sind Magnesiumchlorid (MgCl₂) mit Mg²⁺- und Cl⁻-Ionen und Natriumhydroxid (NaOH) mit Na⁺- und OH⁻-Ionen. Andere sind stark kovalent, wie Schwefeldioxid oder Eisenpentacarbonyl. Viele weisen eine polare kovalente Bindung auf, die zwischen der ionischen und der kovalenten Bindung liegt – dies gilt für viele Oxide, Carbonate und Halogenide. Anorganische Verbindungen haben oft hohe Schmelzpunkte, und einige Salze, wie NaCl, lösen sich leicht in Wasser. Enthält ein Reaktant Wasserstoff, können Reaktionen den Protonenaustausch in der Säure-Base-Chemie beinhalten. Allgemeiner ist eine Lewis-Säure jede Spezies, die ein Elektronenpaar aufnehmen kann, während eine Lewis-Base eines abgibt. Die HSAB-Theorie verfeinert dies durch Berücksichtigung von Ionengröße und Polarisierbarkeit.

Die anorganische Chemie hat mehrere Unterteilungen. Die metallorganische Chemie befasst sich mit Verbindungen, die Metall-Kohlenstoff-Bindungen enthalten, und ist in der organischen Synthese wichtig, wo viele Katalysatoren und Reagenzien metallorganisch sind. Die Clusterchemie befasst sich mit Verbindungen, die mehrere Metalle enthalten, die durch Metall-Metall-Bindungen oder verbrückende Liganden verbunden sind. Die bioanorganische Chemie untersucht metallhaltige Biomoleküle und verbindet sich mit der medizinischen Chemie. Die Materialchemie und die Festkörperchemie konzentrieren sich auf ausgedehnte Feststoffe (wie Polymere) mit Eigenschaften, die bei einfachen Molekülen nicht zu finden sind, und decken praktische Themen wie Keramiken ab.

Die anorganische Chemie ist hochgradig praktisch. Historisch gesehen konnte die Wirtschaftskraft einer Nation an ihrer Produktion von Schwefelsäure gemessen werden. Ammoniumnitrat, ein wichtiger Dünger, wird aus Ammoniak hergestellt, das über das Haber-Verfahren gewonnen wird, wobei Salpetersäure dann durch Oxidation dieses Ammoniaks hergestellt wird. Ein weiteres anorganisches Produkt im großen Maßstab ist Portlandzement. Anorganische Verbindungen dienen auch als Katalysatoren, wie Vanadium(V)-oxid zur Oxidation von Schwefeldioxid und Titan(III)-chlorid zur Polymerisation von Alkenen. Viele, wie Lithiumaluminiumhydrid, werden als Reagenzien in der organischen Chemie verwendet.

Die beschreibende anorganische Chemie klassifiziert Verbindungen nach ihren Eigenschaften, oft basierend auf der Position des schwersten Elements im Periodensystem oder nach strukturellen Ähnlichkeiten.

Koordinationsverbindungen beinhalten traditionell Metalle, die an freie Elektronenpaare von Liganden wie H₂O, NH₃, Cl⁻ oder CN⁻ gebunden sind. Heutzutage kann fast jede organische oder anorganische Verbindung als Ligand wirken. Das Metall stammt normalerweise aus den Gruppen 3–13, einschließlich der Lanthaniden und Actiniden, obwohl alle chemischen Verbindungen als Koordinationskomplexe betrachtet werden können. Ihre Stereochemie kann reichhaltig sein – Werners Trennung zweier Enantiomere von [Co((OH)₂Co(NH₃)₄)₃]⁶⁺ zeigte, dass Chiralität nicht nur organischen Verbindungen vorbehalten ist. Ein aktueller Schwerpunkt ist die supramolekulare Koordinationschemie. Beispiele sind [Co(EDTA)]⁻, [Co(NH₃)₆]³⁺ und TiCl₄(THF)₂. Die Strukturen reichen von tetraedrisch (TiCl₄) über quadratisch-planar (einige Nickelkomplexe) bis oktaedrisch (Cobaltkomplexe). Viele Übergangsmetalle kommen in biologisch wichtigen Molekülen vor, wie Eisen im Hämoglobin. Weitere Beispiele sind Eisenpentacarbonyl, Titantetrachlorid und Cisplatin.

Hauptgruppenverbindungen umfassen Elemente aus den Gruppen I, II, III, IV, V, VI, VII und 0 (ohne Wasserstoff). Die Gruppen 3 (Sc, Y, La) und 12 (Zn, Cd, Hg) werden aufgrund ähnlicher Reaktivität oft einbezogen, und manchmal auch die Lanthaniden und Actiniden. Diese Verbindungen sind seit den Anfängen der Chemie bekannt – zum Beispiel elementarer Schwefel und weißer Phosphor. Experimente von Lavoisier und Priestley mit Sauerstoff identifizierten ein wichtiges zweiatomiges Gas und ebneten den Weg für die Beschreibung von Reaktionen durch stöchiometrische Verhältnisse. Die praktische Synthese von Ammoniak unter Verwendung von Eisenkatalysatoren, entwickelt von Carl Bosch und Fritz Haber im frühen 20. Jahrhundert, hatte enorme Auswirkungen auf die Menschheit und zeigte die Bedeutung der anorganischen Synthese. Typische Hauptgruppenverbindungen sind SiO₂ und S.