Кіріспе

Химия саласы: журнал

Органикалық емес химия органикалық емес және органометалл қосылыстардың синтезі мен қасиеттерін зерттейді. Бұл сала көміртек негізіндегі емес химиялық қосылыстарды қамтиды, ал олар органикалық химияның пәні болып табылады. Екі ғылым саласының аражігілік шекарасы толық емес, себебі органометалл химиясының тармағында көптеген ортақ мәселелер кездеседі. Ол химия өнеркәсібінің барлық саласында қолданылады, соның ішінде катализ, материалтану, пигменттер, беттік белсенді заттар, жабындар, дәрілер, отын және ауыл шаруашылығы.

Пайда болуы

Табиғатта көптеген органикалық емес қосылыстар минералдар түрінде кездеседі. Топырақта пирит түрінде темір сульфиді немесе гипс түрінде кальций сульфаты болуы мүмкін. Органикалық емес қосылыстар сонымен қатар биомолекулалар ретінде көп қызмет атқарады: электролиттер (натрий хлориді), энергия сақтауда (АТФ) немесе құрылыс материалдары ретінде (ДНҚ-дағы полифосфат тірекшесі).

Бiрiктiру

Органикалық емес қосылыстар әртүрлі байланыс қасиеттерін көрсетеді. Олардың кейбіреуі иондық қосылыстар болып табылады, олар иондық байланыс арқылы біріккен өте қарапайым катиондар мен аниондардан тұрады. Тұздардың мысалдары (иондық қосылыстар) – магний хлориді MgCl2, ол магний катиондары Mg2+ және хлорид аниондары Cl−-дан тұрады; немесе натрий гидроксиді NaOH, ол натрий катиондары Na+ және гидроксид аниондары OH−-дан тұрады. Кейбір органикалық емес қосылыстар, мысалы күкірт диоксиді және темір пентакарбонилі, жоғары ковалентті. Көптеген органикалық емес қосылыстар полярлы ковалентті байланысқа ие, бұл ковалентті және иондық байланыстардың арасындағы аралық байланыс түрі. Бұл сипаттама көптеген оксидтерге, карбонаттарға және галоидтарға қатысты. Көптеген органикалық емес қосылыстардың балқу температурасы жоғары болады. Кейбір тұздар (мысалы, NaCl) суда жақсы ериді. Егер бір реагентте сутек атомдары болса, қышқыл-негіз химиясында протон алмасу арқылы реакция жүзеге асуы мүмкін. Жалпы анықтама бойынша, электрон жұптарымен байланыса алатын кез келген химиялық түр Льюис қышқылы деп аталады; ал электрон жұптарын беруге бейім кез келген молекула Льюис негізі деп аталады. Қышқыл-негіздік өзара әрекеттесуді жетілдіру мақсатында HSAB теориясы иондардың поляризациялану қабілеті мен мөлшерін ескереді.

Өнеркәсіптік органикалық емес химия

Органикалық емес химия – ғылымның өте практикалық саласы. Дәстүрлі түрде, мемлекеттің экономикасының деңгейі күкірт қышқылының өндіріс көлемімен бағаланатын. Адам жасаған маңызды органикалық емес қосылыстардың бірі – тыңайтқыш ретінде қолданылатын аммоний нитраты. Аммиак Хабер процесі арқылы өндіріледі. Азот қышқылы аммиакты тотықтыру арқылы алынады. Тағы бір ірі көлемде өндірілетін органикалық емес материал – портланд цементі. Органикалық емес қосылыстар катализаторлар ретінде қолданылады, мысалы, күкірт диоксидін тотықтыру үшін ванадий(V) оксиді және алкендерді полимерлеу үшін титан(III) хлориді. Көптеген органикалық емес қосылыстар органикалық химияда литий алюминий гидриді сияқты реагенттер ретінде қолданылады.

Сипаттамалық органикалық емес химия

Сипаттамалық бейорганикалық химия қосылыстарды олардың қасиеттеріне сүйене отырып жіктеуге қатысты. Жіктеудің бір бөлігі қосылыстағы ең ауыр элементтің (ең жоғары атомдық салмағы бар элементтің) периодтық жүйедегі орнына, ал екінші бөлігі – қосылыстарды құрылымдық ұқсастықтары бойынша топтастыруға бағытталған.

Спектроскопия және магнетизм

Көптеген органикалық қосылыстардан өзгеше, көптеген органикалық емес қосылыстар магниттік және/немесе түсті болады. Бұл қасиеттер байланыс пен құрылым туралы мәлімет береді. Органикалық емес қосылыстардың магнетизмі күрделі болуы мүмкін. Мысалы, көптеген мыс(II) қосылыстары парамагниттік, бірақ CuII2(OAc)4(H2O)2 бөлме температурасынан төменде жайлы димагниттік болып келеді. Мұның түсіндірмесі – ацетаттағы Cu(II) орындарының жұптары арасындағы магниттік байланысқа байланысты.

Сапалық теориялар

Органикалық емес химия сапалық теориялардан көп пайда көрді. Мұндай теорияларды оқу оңай, себебі олар кванттық теорияда терең білімді қажет етпейді. Негізгі топтың қосылыстары ішінде VSEPR теориясы негізгі топтың қосылыстарының құрылымын күшті болжайды немесе кем дегенде түсіндіреді, мысалы, NH3 пирамида пішіндес, ал ClF3 T пішіндес болу себебін түсіндіру. Көшу металдары үшін кристалдық өріс теориясы көптеген қарапайым кешендердің магнетизмін түсінуге мүмкіндік береді, мысалы, [FeIII(CN)6]3− тек бір жұпталмаған электроны бар, ал [FeIII(H2O)6]3+ бес жұпталмаған электронына ие болу себебін. Молекуланың құрылымын және реакциялық қабілетін бағалауға арналған ерекше күшті сапалық тәсіл, молекулаларды электрондық санау бойынша жіктеуден басталады, көбінесе молекуланың орталық атомындағы валентті электрондардың санына назар аударады.

Молекулалық симметриялық топ теориясы

Химиядағы маңызды ұғым – молекулалық симметрия, ол топтар теориясында бейнеленген. Inorganic қосылыстар ерекше түрлі симметрияларды көрсетеді, сондықтан топтар теориясының inorganic химиямен тығыз байланысты болуы заңды. Топтар теориясы молекулалардың пішіндерін олардың нүктелік топтық симметриясына сәйкес сипаттауға арналған тілді ұсынады. Сондай-ақ, топтар теориясы теориялық есептеулерді ықшамдауға және жеңілдетуге мүмкіндік береді. Спектроскопиялық сипаттамалар, ішінде дірілдеу немесе электрондық күйлердің симметриялық қасиеттеріне сәйкес талданады және сипатталады. Негізгі және қоздырылған күйлердің симметриялық қасиеттерін білу, дірілдеу және электрондық спектрлердегі сіңірулердің саны мен қарқындылығын болжауға мүмкіндік береді. Топтар теориясының классикалық қолданылуы – субститутталған металл карбонил кешендеріндегі CO дірілдеулерінің санын болжау. Симметрияның спектроскопиядағы ең көп қолданылатын салалары – дірілдеу және электрондық спектрлерді зерттеу. Топтар теориясы әртүрлі молекулалардың байланысындағы ортақ белгілерді және айырмашылықтарды анықтайды. Мысалы, металлға негізделген орбитальдар WF6 және W(CO)6 үшін бірдей түрленеді, бірақ бұл орбитальдардың энергиясы мен толтырылуы айтарлықтай өзгеше. CO2 және молекулалық бериллий дифториді арасында да ұқсас қатынас бар.

Термодинамика және органикалық емес химия

Органикалық емес химияға баламалы сандық тәсіл реакциялардың энергиясына негізделген. Бұл тәсіл өте дәстүрлі және эмпирикалық, бірақ оны пайдалануға болады. Термодинамикалық терминдермен түсіндірілетін негізгі ұғымдарға тотығу-тотықсыздану потенциалы, қышқылдық, фазалық өзгерістер жатады. Органикалық емес термодинамикадағы классикалық ұғым – Борн-Хабер циклі, ол электрондық жақындық сияқты элементарлық процестердің энергиясын бағалауға қолданылады, олардың кейбіреулерін тікелей байқау мүмкін емес.

Механикалық органикалық емес химия

Органикалық емес химияның маңызды бір бөлігі реакция жолдарына, атап айтқанда реакция механизмдеріне қатысты.

Негізгі топ элементтері мен лантаноидтар

13-18 топтағы негізгі топтағы қосылыстардың механизмдері әдетте органикалық химия контекстінде талқыланады (өйткені органикалық қосылыстар – негізгі топтағы қосылыстар). Көміртектен, азоттан, оттектен және фтордан ауыр элементтер көбінесе октет ережесі бойынша күтілгеннен артық электрондары бар қосылыстарды жасайды, бұл гипервалентті молекулалар туралы мақалада түсіндірілген. Осы себепті олардың реакция механизмдері органикалық қосылыстардан өзгеше болады. Көміртектен жеңіл элементтер (B, Be, Li), сондай-ақ Al және Mg көбінесе карбокатиондарға электрондық тұрғыдан ұқсас электрон тапшылығын көрсететін құрылымдарды жасайды. Мұндай электрон тапшылығы бар түрлер көбінесе ассоциативтік жолдармен реакцияға түседі. Лантаноидтар химиясы алюминий химиясының көптеген қырларын қайталайды.

Лигандтардағы реакциялар

Координацияланған лигандтар еркін лигандтардан өзгеше реактивтілік көрсетеді. Мысалы, [Co(NH3)6]3+ кешеніндегі аммиак лигандтарының қышқылдығы NH3-тің өзіне қарағанда жоғарылайды. Металл катиондарына байланысқан алкендер нуклеофилдерге реактивті болады, ал алкендер әдетте реактивті емес. Катализдің кең және өнеркәсіптік маңызы металдардың органикалық лигандтардың реактивтілігін өзгерту қабілетіне байланысты. Біртекті катализ ерітіндіде жүзеге асады, ал гетерогенді катализ газ немесе еріген заттардың қатты денелердің бетімен өзара әрекеттесуі кезінде пайда болады. Дәстүрлі түрде гомогенді катализ органометалл химиясының бір бөлігі саналады, ал гетерогенді катализ қатты күйдегі химияның тармағы – беттік ғылым аясында қарастырылады. Бірақ негізгі бейорганикалық химия принциптері бірдей. Көшу металдары, дерлік бірегей түрде, CO, H2, O2 және C2H4 сияқты кішкентай молекулалармен реакцияға түседі. Бұл шикізаттың өнеркәсіптік маңызы катализдің белсенді саласын дамытады. Лигандтар трансметалдану сияқты лигандтарды алмастыру реакцияларына да қатыса алады.

Синтетикалық органикалық емес химия

Кейбір органикалық емес заттарды табиғаттан таза күйде алуға болады, бірақ көпшілігі химиялық зауыттарда және зертханаларда синтезделді. Органикалық емес синтез әдістерін құрауыш реактивтердің ұшпақтығы немесе ерігіштігіне қарай шамамен жіктеуге болады. Ерігіш органикалық емес қосылыстар органикалық синтез әдістерін қолдана отырып дайындалады. Ауаға реакцияға түсетін металл қосылыстары үшін Шленк желісі және қолғап қорабы техникалары қолданылады. Ұшқыш қосылыстар мен газдар клапандар арқылы байланысқан шыны құбырлардан тұратын "вакуумдық коллекторларда" қолданылады, олардың барлығы 0,001 мм Hg немесе одан да төмен қысымға дейін вакуумдалады. Қосылыстар сұйық азот (қайнау нүктесі 78K) немесе басқа криогендер арқылы конденсацияланады. Қатты заттар көбінесе түтікше пештерде дайындалады, реактивтер мен өнімдер көбінесе балқытылған кварцтан (аморфты SiO2) жасалған, бірақ кейде Ta түтікшелері немесе Pt "қайықтары" сияқты арнайы материалдардан жасалған ыдыстарға мөрленеді. Реакцияларды жүзеге асыру үшін өнімдер мен реактивтер температуралық аймақтар арасында тасымалданады.