Inorganic chemistry

Неорганическая химия изучает получение и свойства неорганических и элементоорганических соединений. В основном она сосредоточена на соединениях, не основанных на углероде, что является областью органической химии, однако эта граница не является строгой, особенно в общей области элементоорганической химии. Эта область охватывает практически все отрасли химической промышленности: от катализа и материаловедения до пигментов, поверхностно-активных веществ, покрытий, лекарств, топлива и сельского хозяйства.

Многие неорганические соединения встречаются в природе в виде минералов. Например, почва может содержать сульфид железа в виде пирита или сульфат кальция в виде гипса. Эти соединения также играют важную роль в биологии, выступая в качестве электролитов (например, хлорид натрия), запасая энергию (как в АТФ) или образуя структурные части (например, полифосфатный остов ДНК).

Связь в неорганических соединениях весьма разнообразна. Некоторые из них являются ионными, состоящими из простых катионов и анионов, удерживаемых ионными связями. Примеры включают хлорид магния (MgCl₂) с ионами Mg²⁺ и Cl⁻ и гидроксид натрия (NaOH) с ионами Na⁺ и OH⁻. Другие являются сильно ковалентными, например, диоксид серы или пентакарбонил железа. Многие характеризуются полярной ковалентной связью, которая находится между ионной и ковалентной связью — это относится ко многим оксидам, карбонатам и галогенидам. Неорганические соединения часто имеют высокие температуры плавления, а некоторые соли, такие как NaCl, легко растворяются в воде. Если реагент содержит водород, реакции могут включать обмен протонами в кислотно-основной химии. В более широком смысле, кислота Льюиса — это любая частица, способная принять электронную пару, а основание Льюиса — частица, которая ее отдает. Теория ЖМКО уточняет это, учитывая размер иона и поляризуемость.

Неорганическая химия имеет несколько подразделов. Элементоорганическая химия занимается соединениями, содержащими связи металл-углерод, и важна в органическом синтезе, где многие катализаторы и реагенты являются элементоорганическими. Химия кластеров изучает соединения с несколькими металлами, связанными металл-металлическими связями или мостиковыми лигандами. Бионеорганическая химия рассматривает биомолекулы, содержащие металлы, и связана с медицинской химией. Химия материалов и химия твердого тела фокусируются на протяженных твердых телах (таких как полимеры) со свойствами, не наблюдаемыми в простых молекулах, охватывая практические темы, такие как керамика.

Неорганическая химия весьма практична. Исторически экономическую мощь страны можно было оценить по производству серной кислоты. Нитрат аммония, ключевое удобрение, получают из аммиака, произведенного по процессу Габера, а азотную кислоту затем получают окислением этого аммиака. Еще одним крупнотоннажным неорганическим продуктом является портландцемент. Неорганические соединения также служат катализаторами, например, оксид ванадия(V) для окисления диоксида серы и хлорид титана(III) для полимеризации алкенов. Многие из них, такие как алюмогидрид лития, используются в качестве реагентов в органической химии.

Описательная неорганическая химия классифицирует соединения по их свойствам, часто основываясь на положении самого тяжелого элемента в периодической таблице или на структурном сходстве.

Координационные соединения традиционно включают металлы, связанные с неподеленными парами лигандов, таких как H₂O, NH₃, Cl⁻ или CN⁻. Сегодня почти любое органическое или неорганическое соединение может выступать в роли лиганда. Металл обычно относится к группам 3–13, включая лантаноиды и актиноиды, хотя все химические соединения можно рассматривать как координационные комплексы. Их стереохимия может быть богатой — разделение Вернером двух энантиомеров [Co((OH)₂Co(NH₃)₄)₃]⁶⁺ показало, что хиральность не является уникальной для органических соединений. Текущим направлением является супрамолекулярная координационная химия. Примеры включают [Co(EDTA)]⁻, [Co(NH₃)₆]³⁺ и TiCl₄(THF)₂. Структуры варьируются от тетраэдрических (TiCl₄) до квадратно-плоскостных (некоторые комплексы никеля) и октаэдрических (комплексы кобальта). Многие переходные металлы встречаются в биологически важных молекулах, таких как железо в гемоглобине. Другие примеры: пентакарбонил железа, тетрахлорид титана и цисплатин.

Соединения главных групп включают элементы групп I, II, III, IV, V, VI, VII и 0 (за исключением водорода). Группы 3 (Sc, Y, La) и 12 (Zn, Cd, Hg) часто включают из-за схожей реакционной способности, а иногда также лантаноиды и актиноиды. Эти соединения известны с первых дней химии — например, элементарная сера и белый фосфор. Эксперименты с кислородом, проведенные Лавуазье и Пристли, позволили идентифицировать ключевой двухатомный газ и открыли путь для описания реакций по стехиометрическим соотношениям. Практический синтез аммиака с использованием железных катализаторов, разработанный Карлом Бошем и Фрицем Габером в начале 1900-х годов, оказал огромное влияние на человечество и показал важность неорганического синтеза. Типичные соединения главных групп включают SiO₂ и S.