Inorganic chemistry

La chimie inorganique est l'étude de la synthèse et du comportement des composés inorganiques et organométalliques. Elle se concentre généralement sur les composés qui ne sont pas à base de carbone, ce qui est le domaine de la chimie organique, mais cette frontière n'est pas stricte, en particulier dans le domaine partagé de la chimie organométallique. Ce domaine touche presque tous les secteurs de l'industrie chimique, de la catalyse et de la science des matériaux aux pigments, tensioactifs, revêtements, médicaments, carburants et agriculture.

De nombreux composés inorganiques se trouvent naturellement sous forme de minéraux. Par exemple, le sol peut contenir du sulfure de fer sous forme de pyrite ou du sulfate de calcium sous forme de gypse. Ces composés jouent également des rôles essentiels en biologie, agissant comme électrolytes (comme le chlorure de sodium), stockant de l'énergie (comme dans l'ATP) ou formant des parties structurelles (comme le squelette polyphosphate de l'ADN).

Les liaisons dans les composés inorganiques varient considérablement. Certains sont ioniques, constitués de simples cations et anions maintenus ensemble par des liaisons ioniques. On peut citer le chlorure de magnésium (MgCl₂), avec des ions Mg²⁺ et Cl⁻, et l'hydroxyde de sodium (NaOH), avec des ions Na⁺ et OH⁻. D'autres sont fortement covalents, comme le dioxyde de soufre ou le pentacarbonyle de fer. Beaucoup présentent des liaisons covalentes polaires, qui se situent entre les liaisons ioniques et covalentes – cela s'applique à de nombreux oxydes, carbonates et halogénures. Les composés inorganiques ont souvent des points de fusion élevés, et certains sels, comme le NaCl, se dissolvent facilement dans l'eau. Lorsqu'un réactif contient de l'hydrogène, les réactions peuvent impliquer un échange de protons dans la chimie acide-base. Plus largement, un acide de Lewis est toute espèce capable d'accepter une paire d'électrons, tandis qu'une base de Lewis en donne une. La théorie HSAB affine cela en considérant la taille des ions et la polarisabilité.

La chimie inorganique comporte plusieurs subdivisions. La chimie organométallique traite des composés contenant des liaisons carbone-métal et est importante en synthèse organique, où de nombreux catalyseurs et réactifs sont organométalliques. La chimie des clusters implique des composés avec plusieurs métaux liés par des liaisons métal-métal ou des ligands pontants. La chimie bioinorganique examine les biomolécules contenant des métaux et se connecte à la chimie médicinale. La chimie des matériaux et la chimie de l'état solide se concentrent sur les solides étendus (comme les polymères) avec des propriétés non observées dans les molécules simples, couvrant des sujets pratiques tels que les céramiques.

La chimie inorganique est hautement pratique. Historiquement, la puissance économique d'une nation pouvait être évaluée par sa production d'acide sulfurique. Le nitrate d'ammonium, un engrais clé, est fabriqué à partir d'ammoniac produit par le procédé Haber, l'acide nitrique étant ensuite préparé par oxydation de cet ammoniac. Un autre produit inorganique à grande échelle est le ciment Portland. Les composés inorganiques servent également de catalyseurs, comme l'oxyde de vanadium(V) pour l'oxydation du dioxyde de soufre et le chlorure de titane(III) pour la polymérisation des alcènes. Beaucoup, comme l'hydrure de lithium et d'aluminium, sont utilisés comme réactifs en chimie organique.

La chimie inorganique descriptive classe les composés par leurs propriétés, souvent basées sur la position de l'élément le plus lourd dans le tableau périodique ou par similitudes structurelles.

Les composés de coordination impliquent traditionnellement des métaux liés à des paires libres sur des ligands comme H₂O, NH₃, Cl⁻ ou CN⁻. Aujourd'hui, presque tous les composés organiques ou inorganiques peuvent agir comme ligands. Le métal provient généralement des groupes 3 à 13, y compris les lanthanides et les actinides, bien que tous les composés chimiques puissent être considérés comme des complexes de coordination. Leur stéréochimie peut être riche – la séparation par Werner de deux énantiomères de [Co((OH)₂Co(NH₃)₄)₃]⁶⁺ a montré que la chiralité n'est pas unique aux composés organiques. Un axe de recherche actuel est la chimie de coordination supramoléculaire. Les exemples incluent [Co(EDTA)]⁻, [Co(NH₃)₆]³⁺ et TiCl₄(THF)₂. Les structures varient de tétraédriques (TiCl₄) à plan carré (certains complexes de nickel) à octaédriques (complexes de cobalt). De nombreux métaux de transition apparaissent dans des molécules biologiquement importantes, comme le fer dans l'hémoglobine. D'autres exemples sont le pentacarbonyle de fer, le tétrachlorure de titane et le cisplatine.

Les composés du groupe principal impliquent des éléments des groupes I, II, III, IV, V, VI, VII et 0 (à l'exclusion de l'hydrogène). Les groupes 3 (Sc, Y, La) et 12 (Zn, Cd, Hg) sont souvent inclus en raison d'une réactivité similaire, et parfois aussi les lanthanides et les actinides. Ces composés sont connus depuis les débuts de la chimie – par exemple, le soufre élémentaire et le phosphore blanc. Les expériences sur l'oxygène par Lavoisier et Priestley ont identifié un gaz diatomique clé et ont ouvert la voie à la description des réactions par des rapports stoechiométriques. La synthèse pratique de l'ammoniac à l'aide de catalyseurs au fer, développée par Carl Bosch et Fritz Haber au début des années 1900, a eu un impact énorme sur l'humanité et a montré l'importance de la synthèse inorganique. Les composés typiques du groupe principal incluent SiO₂ et S.