Введение
Область химии, журнал "Неорганическая химия", посвящена синтезу и свойствам неорганических и органометаллических соединений. Эта область охватывает химические соединения, не основанные на углероде, которые являются предметом изучения органической химии. Разграничение между этими дисциплинами не является абсолютным, поскольку существует значительное пересечение в субдисциплине органометаллической химии. Она находит применение во всех областях химической промышленности, включая катализ, материаловедение, пигменты, поверхностно-активные вещества, покрытия, лекарственные препараты, топливо и сельское хозяйство.
the journal
Inorganic chemistry deals with synthesis and behavior of inorganic and organometallic compounds. This field covers chemical compounds that are not carbon based, which are the subjects of organic chemistry. The distinction between the two disciplines is far from absolute, as there is much overlap in the subdiscipline of organometallic chemistry. It has applications in every aspect of the chemical industry, including catalysis, materials science, pigments, surfactants, coatings, medications, fuels, and agriculture.
Возникновение
Многие неорганические соединения встречаются в природе в виде минералов. В почве может содержаться сульфид железа в виде пирита или сульфат кальция в виде гипса. Неорганические соединения также выполняют множество функций в качестве биомолекул: как электролиты (хлорид натрия), для хранения энергии (АТФ) или в качестве строительных элементов (полифосфатный остов ДНК).
Склеивание
Неорганические соединения демонстрируют широкий спектр свойств связывания. Некоторые из них являются ионными соединениями, состоящими из простых катионов и анионов, соединенных ионной связью. Примерами солей (являющихся ионными соединениями) служат хлорид магния MgCl2, состоящий из магниевых катионов Mg2+ и хлорид-анионов Cl−, или гидроксид натрия NaOH, состоящий из катионов натрия Na+ и гидроксид-анионов OH−. Некоторые неорганические соединения обладают выраженной ковалентной связью, такие как диоксид серы и пентакарбонил железа. Многие неорганические соединения характеризуются полярной ковалентной связью, представляющей собой промежуточную форму между ковалентной и ионной связью. Это описание применимо ко многим оксидам, карбонатам и галогенидам. Многие неорганические соединения отличаются высокими температурами плавления. Некоторые соли (например, NaCl) обладают высокой растворимостью в воде. Если один из реагентов содержит атомы водорода, реакция может протекать посредством обмена протонами в кислотно-основной химии. В более широком определении, любой химический вид, способный присоединять электронные пары, называется кислотой Льюиса; соответственно, любой вид, склонный отдавать электронную пару, называется основанием Льюиса. В качестве развития представлений о кислотно-основных взаимодействиях, теория HSAB учитывает поляризуемость и размер ионов.
Промышленная неорганическая химия
Неорганическая химия – это высокопрактичная область науки. Традиционно, экономический масштаб страны можно было оценивать по объему производства серной кислоты. Важным искусственным неорганическим соединением является нитрат аммония, используемый в качестве удобрения. Аммиак производится посредством процесса Габера. Азотная кислота получается из аммиака путем окисления. Портландцемент – еще один неорганический материал, производимый в больших масштабах. Неорганические соединения используются в качестве катализаторов, например, оксид ванадия(V) для окисления диоксида серы и хлорид титана(III) для полимеризации алкенов. Многие неорганические соединения применяются в качестве реагентов в органической химии, такие как гидрид лития-алюминия.
Описательная неорганическая химия
Описательная неорганическая химия фокусируется на классификации соединений, основанной на их свойствах. Классификация частично основывается на положении в периодической таблице самого тяжелого элемента (элемента с наибольшей атомной массой) в соединении, а частично – на объединении соединений по структурному сходству.
Спектроскопия и магнетизм
В отличие от большинства органических соединений, многие неорганические соединения обладают магнитными свойствами и/или окрашены. Эти свойства предоставляют информацию о связи и структуре. Магнетизм неорганических соединений может быть сложным. Например, большинство соединений меди(II) парамагнитны, но CuII2(OAc)4(H2O)2 почти диамагнитен при температуре ниже комнатной. Это объясняется магнитным взаимодействием между парами ионов Cu(II) в ацетате.
Качественные теории
Неорганическая химия во многом обязана своим развитием качественным теориям. Эти теории легче освоить, так как они требуют небольшого предварительного знания квантовой теории. Для соединений главной группы теория VSEPR эффективно предсказывает или, по крайней мере, объясняет структуру этих соединений, например, почему NH3 имеет пирамидальную форму, а ClF3 – Т-образную. Для переходных металлов теория кристаллического поля позволяет понять магнетизм многих простых комплексов, например, почему [FeIII(CN)6]3− содержит только один неспаренный электрон, а [FeIII(H2O)6]3+ – пять. Особенно эффективный качественный подход к оценке структуры и реакционной способности начинается с классификации молекул на основе подсчета электронов, с акцентом на количестве валентных электронов, обычно относящихся к центральному атому в молекуле.
Теория групп молекулярной симметрии
Конструкцией в химии является молекулярная симметрия, как она выражена в теории групп. Неорганические соединения демонстрируют особенно разнообразные симметрии, поэтому закономерно, что теория групп тесно связана с неорганической химией. Теория групп предоставляет язык для описания формы молекул в соответствии с их симметрией точечной группы. Теория групп также позволяет упрощать и факторизовать теоретические расчеты. Спектроскопические характеристики анализируются и описываются с учетом свойств симметрии, в частности, колебательных или электронных состояний. Знание свойств симметрии основного и возбужденных состояний позволяет предсказывать число и интенсивность полос поглощения в колебательных и электронных спектрах. Классическим применением теории групп является предсказание числа колебаний C-O в замещенных металлокарбонильных комплексах. Наиболее распространенные применения симметрии в спектроскопии связаны с колебательными и электронными спектрами. Теория групп выявляет общие черты и различия в связях между, казалось бы, различными соединениями. Например, металл-центрированные орбитали преобразуются одинаково для WF6 и W(CO)6, но энергии и заполнения этих орбиталей существенно различаются. Аналогичная взаимосвязь наблюдается для CO2 и молекулярного дифторида бериллия.
Термодинамика и неорганическая химия
Альтернативный количественный подход к неорганической химии сосредотачивается на энергиях реакций. Этот подход весьма традиционен и эмпиричен, но при этом полезен. Общие понятия, сформулированные в термодинамических терминах, включают окислительно-восстановительный потенциал, кислотность и фазовые переходы. Классическим понятием в неорганической термодинамике является цикл Борна-Хабера, который используется для оценки энергий элементарных процессов, таких как сродство к электрону, некоторые из которых нельзя наблюдать напрямую.
Механистическая неорганическая химия
Важный аспект неорганической химии посвящен путям реакций, то есть механизмам реакций.
Элементы основных групп и лантаноиды
Механизмы соединений основных групп 13–18 обычно рассматриваются в контексте органической химии (в конце концов, органические соединения являются соединениями основных групп). Элементы тяжелее C, N, O и F часто образуют соединения с большим числом электронов, чем предсказывает правило октета, как объясняется в статье о гипервалентных молекулах. Механизмы их реакций отличаются от реакций органических соединений по этой причине. Элементы легче углерода (B, Be, Li), а также Al и Mg часто образуют электронно-дефицитные структуры, которые по своим электронным свойствам аналогичны карбокатионам. Такие электронно-дефицитные частицы склонны вступать в реакции по ассоциативному механизму. Химия лантаноидов во многом повторяет химию алюминия.
Реакции на лиганды
Координированные лиганды проявляют реакционную способность, отличную от реакционной способности свободных лигандов. Например, кислотность аммиачных лигандов в [Co(NH3)6]3+ повышена по сравнению с самой аммиаком. Алкены, связанные с ионами металлов, реакционноспособны по отношению к нуклеофилам, в то время как алкены обычно не проявляют такой реакционной способности. Обширная и промышленно важная область катализа основана на способности металлов изменять реакционную способность органических лигандов. Гомогенный катализ происходит в растворе, а гетерогенный катализ – при взаимодействии газообразных или растворенных субстратов с поверхностями твердых веществ. Традиционно гомогенный катализ рассматривается как часть органометаллической химии, а гетерогенный катализ – в контексте науки о поверхностях, являющейся подразделом химии твердого тела. Однако базовые неорганические химические принципы остаются одинаковыми. Переходные металлы, почти уникальным образом, реагируют с небольшими молекулами, такими как CO, H2, O2 и C2H4. Промышленная значимость этих исходных веществ стимулирует активные исследования в области катализа. Лиганды также могут участвовать в реакциях переноса лигандов, таких как трансметалляция.
Синтетическая неорганическая химия
Хотя некоторые неорганические соединения можно получить в чистом виде из природных источников, большинство синтезируются на химических заводах и в лаборатории. Методы неорганического синтеза можно приблизительно классифицировать в зависимости от летучести или растворимости исходных реагентов. Растворимые неорганические соединения получают с использованием методов органического синтеза. Для соединений, содержащих металлы, чувствительных к воздействию воздуха, применяются методы, использующие линии Шленка и перчаточные боксы. Летучие соединения и газы манипулируют в "вакуумных манифольдах", состоящих из стеклянных трубопроводов, соединенных клапанами, которые могут быть откачаны до 0,001 мм рт. ст. или ниже. Соединения конденсируют, используя жидкий азот (температура кипения 78 K) или другие хладагенты. Твердые вещества обычно получают в трубчатых печах, при этом реагенты и продукты герметично упаковываются в контейнеры, часто изготовленные из кварцевого стекла (аморфного SiO2), но иногда из более специализированных материалов, таких как сварные трубы из Ta или платиновые "тигли". Для протекания реакций продукты и реагенты транспортируются между температурными зонами.