Неорганическая химия

Неоргани́ческая хи́мия — раздел химии, связанный с изучением строения, реакционной способности и свойств всех химических элементов и их неорганических соединений. Эта область охватывает все химические соединения, за исключением органических веществ (класса соединений, в которые входит углерод, за исключением нескольких простейших соединений, обычно относящихся к неорганическим). Различия между органическими и неорганическими соединениями, содержащими углерод, являются по некоторым представлениям произвольными.
Неорганическая химия изучает химические элементы и образуемые ими простые и сложные вещества (кроме органических соединений). Обеспечивает создание материалов новейшей техники. Число известных на 2013 г. неорганических веществ приближается к 500 тысячам.

Теоретическим фундаментом неорганической химии является периодический закон и основанная на нём периодическая система Д. И. Менделеева. Важнейшая задача неорганической химии состоит в разработке и научном обосновании способов создания новых материалов с нужными для современной техники свойствами.

История определения

Исторически название неорганическая химия происходит от представления о части химии, которая занимается исследованием элементов, соединений, а также реакций веществ, которые не образованы живыми существами. Однако со времен синтеза мочевины из неорганического соединения цианата аммония (NH4OCN), который совершил в 1828 году выдающийся немецкий химик Фридрих Вёлер, стираются границы между веществами неживой и живой природы. Так, живые существа производят много неорганических веществ. С другой стороны, почти все органические соединения можно синтезировать в лаборатории. Однако деление на различные области химии является актуальным и необходимым, как и раньше, поскольку механизмы реакций, структура веществ в неорганической и органической химии различаются. Это позволяет проще систематизировать методы и способы исследования в каждой из отраслей.

Классификация химических элементов

Периоди́ческая систе́ма хими́ческих элеме́нтов (таблица Менделе́ева) — классификация химических элементов, устанавливающая зависимость различных свойств элементов от заряда атомного ядра. Система является графическим выражением периодического закона, установленного русским химиком Д. И. Менделеевым в 1869 году. Её первоначальный вариант был разработан Д. И. Менделеевым в 1869—1871 годах и устанавливал зависимость свойств элементов от их атомного веса (по-современному, от атомной массы). Всего предложено несколько сотен вариантов изображения периодической системы (аналитических кривых, таблиц, геометрических фигур и так далее). В современном варианте системы предполагается сведение элементов в двумерную таблицу, в которой каждый столбец (группа) определяет основные физико-химические свойства, а строки представляют собой периоды, в определённой мере подобные друг другу.

Простые вещества

Состоят из атомов одного химического элемента (являются формой его существования в свободном состоянии). В зависимости от того, какова химическая связь между атомами, все простые вещества в неорганической химии разделяются на две основные группы: металлы и неметаллы. Для первых характерна, соответственно, металлическая связь, для вторых — ковалентная. Стоит, впрочем, заметить, что радикальных и существенных отличий друг от друга вышеупомянутые простые вещества не имеют. Также выделяются две примыкающие к ним группы — металлоподобных и неметаллоподобных веществ. Существует явление аллотропии, которое состоит в возможности образования нескольких типов простых веществ из атомов одного и того же элемента; каждый из таких типов называется аллотропной модификацией. Если данное явление обусловлено различным молекулярным составом, то оно определяется как аллотропия состава; если способом размещения молекул и атомов в кристаллах — то как аллотропия формы.

Смотреть:
Восток-1

Металлы

Мета́ллы (от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов, обладающая характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск. Из 118 химических элементов, открытых на данный момент (из них не все официально признаны), к металлам относят:

  • 6 элементов в группе щелочных металлов,
  • 6 в группе щёлочноземельных металлов,
  • 38 в группе переходных металлов,
  • 11 в группе лёгких металлов,
  • 7 в группе полуметаллов,
  • 14 в группе лантаноиды + лантан,
  • 14 в группе актиноиды (физические свойства изучены не у всех элементов) + актиний,
  • вне определённых групп бериллий и магний.

Таким образом, к металлам относится 96 элементов из всех открытых.

В силу особенностей металлической атомной связи (а именно — ненасыщаемости и ненаправленности) металлы характеризуются максимально плотными координационными решетками. Наиболее типичны для них кубическая гранецентрированная, кубическая объемно центрированная и гексагональная кристаллические решетки. Кроме того, из-за энергетической близости решеток у многих металлов проявляется полиморфизм.

Неметаллы

Немета́ллы — химические элементы с типично неметаллическими свойствами, которые занимают правый верхний угол Периодической системы. В молекулярной форме в виде простых веществ в природе встречаются азот, кислород и сера. Чаще неметаллы находятся в химически связанном виде: это вода, минералы, горные породы, различные силикаты, фосфаты, бораты. По распространённости в земной коре неметаллы существенно различаются. Наиболее распространёнными являются кислород, кремний, водород; наиболее редкими — мышьяк, селен, иод. Характерной особенностью неметаллов является большее (по сравнению с металлами) число электронов на внешнем энергетическом уровне их атомов. Это определяет их бо́льшую способность к присоединению дополнительных электронов и проявлению более высокой окислительной активности, чем у металлов. К неметаллам также относят водород и гелий.

Сложные вещества

Количественная классификация

По количеству элементов, входящих в состав вещества, различаются бинарные, трехэлементные соединения и т. п.

Бинарные соединения

Бинарными называются соединения, состоящие из атомов двух элементов. Их классификация также производится на основании типа химической связи; выделяют соединения ионные, ковалентные, металлические, а также характеризующиеся смешанным типом связи. Их химические свойства варьируются в зависимости от химической природы конкретных элементов: соединения, в состав которых входят металлические элементы, характеризуются основными свойствами, в то время как соединения неметаллических элементов проявляют кислотные свойства.

Трехэлементные соединения

Трехэлементные — наиболее простые по составу соединения, которые образуются при взаимодействии, как правило, существенно отличающихся друг от друга по химической природе бинарных соединений. С точки зрения химической связи их подразделяют на ионные, ковалентные и ионно-ковалентные. В зависимости от устойчивости ионов их внешней сферы варьируется устойчивость анионных комплексов, которая, в свою очередь, влияет на свойства соединения и степень его подобия бинарному.

Если же взаимодействующие соединения мало отличаются друг от друга по химической природе, то в результате возникают особые разновидности веществ: смешанные соединения, твердые растворы и эвтектики. Первые из перечисленных — это полимеры, являющиеся продуктом взаимодействия соединений элементов, одинаково склонных к комплексообразованию (к примеру, оксид алюминия и оксид магния), вторые образуются в том случае, если электроположительные элементы могут образовывать схожие структурные единицы (то есть не имеющие принципиальных различий по части строения, размера и устойчивости), а третьи представляют собой результат взаимодействия соединений таких элементов, которые близки друг другу химически, но отличаются по строению или размеру атомов. В последнем случае химического взаимодействия, строго говоря, не происходит вообще — возникает механический конгломерат кристаллов.

Смотреть:
Си

Качественная классификация

Большую часть сложных неорганических веществ (то есть состоящих из двух и более химических элементов) можно разделить на следующие группы:

  • Оксиды,
  • Соли,
  • Гидроксиды,
  • Кислоты.

Оксиды

Окси́д (о́кисел, о́кись) — бинарное соединение химического элемента с кислородом в степени окисления −2, в котором сам кислород связан только с менее электроотрицательным элементом. Химический элемент кислород по электроотрицательности второй после фтора, поэтому к оксидам относятся почти все соединения химических элементов с кислородом. К исключениям относятся, например, дифторид кислорода OF2. Оксиды — весьма распространённый тип соединений, содержащихся в земной коре и во Вселенной вообще. Примерами таких соединений являются ржавчина, вода, песок, углекислый газ, ряд красителей. Оксидами называется класс минералов, представляющих собой соединения металла с кислородом.

В зависимости от химических свойств различают:

  • Солеобразующие оксиды:
    • основные оксиды (например, оксид натрия Na2O, оксид меди(II) CuO): оксиды металлов, степень окисления которых I—II;
    • кислотные оксиды (например, оксид серы(VI) SO3, оксид азота(IV) NO2): оксиды металлов со степенью окисления V—VII и оксиды неметаллов;
    • амфотерные оксиды (например, оксид цинка ZnO, оксид алюминия Al2О3): оксиды металлов со степенью окисления III—IV и исключения (ZnO, BeO, SnO, PbO);
  • Несолеобразующие оксиды: оксид углерода(II) СО, оксид азота(I) N2O, оксид азота(II) NO, оксид кремния(II) SiO.

Соли

Со́ли — класс химических соединений, к которому относятся вещества, состоящие из катионов металла (или катионов аммония





N

H

4


+





{\displaystyle \mathrm {NH_{4}^{+}} }

; известны соли фосфония





P

H

4


+





{\displaystyle \mathrm {PH_{4}^{+}} }

или гидроксония






H

3



O

+





{\displaystyle \mathrm {H_{3}O^{+}} }

) и анионов кислотного остатка. Типы солей:

  • Средние (нормальные) соли — все атомы водорода в молекулах кислоты замещены на атомы металла. Пример:




    N

    a

    2


    C

    O

    3





    {\displaystyle \mathrm {Na_{2}CO_{3}} }

    ,






    K

    3


    P

    O

    4





    {\displaystyle \mathrm {K_{3}PO_{4}} }

    .

  • Кислые соли — атомы водорода в кислоте замещены атомами металла частично. Они получаются при нейтрализации основания избытком кислоты. Пример:




    N
    a
    H
    C

    O

    3





    {\displaystyle \mathrm {NaHCO_{3}} }

    ,






    K

    2


    H
    P

    O

    4





    {\displaystyle \mathrm {K_{2}HPO_{4}} }

    .

  • Осно́вные соли — гидроксогруппы основания (OH) частично замещены кислотными остатками. Пример:




    (
    C
    u
    O
    H

    )

    2


    C

    O

    3





    {\displaystyle \mathrm {(CuOH)_{2}CO_{3}} }

    .

  • Двойные соли — в их составе присутствует два различных катиона, получаются кристаллизацией из смешанного раствора солей с разными катионами, но одинаковыми анионами. Пример:




    K
    A
    l
    (
    S

    O

    4



    )

    2



    12
     

    H

    2


    O



    {\displaystyle \mathrm {KAl(SO_{4})_{2}\cdot 12\ H_{2}O} }

    .

  • Смешанные соли — в их составе присутствует два различных аниона. Пример:




    C
    a
    (
    O
    C
    l
    )
    C
    l



    {\displaystyle \mathrm {Ca(OCl)Cl} }

    .

  • Гидратные соли (кристаллогидраты) — в их состав входят молекулы кристаллизационной воды. Пример:




    N

    a

    2


    S

    O

    4



    10
     

    H

    2


    O



    {\displaystyle \mathrm {Na_{2}SO_{4}\cdot 10\ H_{2}O} }

    .

  • Комплексные соли — в их состав входит комплексный катион или комплексный анион. Пример:





    K

    3


    [
    F
    e
    (
    C
    N

    )

    6


    ]



    {\displaystyle \mathrm {K_{3}[Fe(CN)_{6}]} }

    ,





    [
    C
    u
    (
    N

    H

    3



    )

    4


    ]
    (
    O
    H

    )

    2





    {\displaystyle \mathrm {[Cu(NH_{3})_{4}](OH)_{2}} }

    .

Особую группу составляют соли органических кислот, свойства которых значительно отличаются от свойств минеральных солей. Некоторые из них можно отнести к особенному классу органических солей, так называемых ионных жидкостей или по-другому «жидких солей», органических солей с температурой плавления ниже 100 °C.

Основания

Основа́ния — класс химических соединений:

  • Основания (осно́вные гидрокси́ды) — сложные вещества, которые состоят из атомов металла или иона аммония и гидроксогруппы (-OH). В водном растворе диссоциируют с образованием катионов и анионов ОН. Название основания обычно состоит из двух слов: «гидроксид металла/аммония». Хорошо растворимые в воде основания называются щелочами.
  • Согласно другому определению, основания — один из основных классов химических соединений, вещества, молекулы которых являются акцепторами протонов.

Кислоты

Кисло́ты — сложные вещества, в состав которых обычно входят атомы водорода, способные замещаться на атомы металлов, и кислотный остаток. Водные растворы кислот имеют кислый вкус, обладают раздражающим действием, способны менять окраску индикаторов, отличаются рядом общих химических свойств.

Кроме подразделения на кислоты Льюиса и кислоты Брёнстеда, последние принято классифицировать по различным формальным признакам:

  • По содержанию атомов кислорода: бескислородные (HCl, H2S, HCN); кислородсодержащие (HNO3, H2SO4).
  • По количеству кислых атомов водорода: одноосновные (HNO3); двухосновные (H2SeO4); трёхосновные (H3PO4, H3BO3); многоосновные.
  • По силе: сильные — диссоциируют практически полностью, константы диссоциации больше 1⋅10−3 (HNO3); слабые — константа диссоциации меньше 1⋅10−3 (уксусная кислота Kд= 1,7⋅10−5).
  • По устойчивости: устойчивые (H2SO4); неустойчивые (H2CO3).
  • По принадлежности к классам химических соединений: неорганические (HBr); органические (HCOOH, CH3COOH);
  • По летучести: летучие (HNO3, H2S); нелетучие (H2SO4) ;
  • По растворимости в воде: растворимые (H2SO4); нерастворимые (H2SiO3);
  • По содержанию атомов металлов: металлосодержащие (HMnO4, H2TiO3); не металлосодержащие (HNO3, HCN).

Прочее

Также можно выделить следующие группы неорганических веществ: карбиды, нитриды, гидриды, интерметаллиды и другие, которые не укладываются в приведённую выше классификацию (более подробно см. Неорганическое вещество).

Карбиды

Карби́ды — соединения металлов и неметаллов с углеродом. Традиционно к карбидам относят соединения, в которых углерод имеет большую электроотрицательность, чем второй элемент (таким образом из карбидов исключаются такие соединения углерода, как оксиды, галогениды и тому подобные). Карбиды — тугоплавкие твёрдые вещества: карбиды бора и кремния (В4С и SiC), титана, вольфрама, циркония (TiC, WC и ZrC соответственно) обладают высокой твёрдостью, жаростойкостью, химической инертностью.

Карбиды подразделяются на следующие виды: солеобразные (CaC2, Al4C3); ковалентные (карборунд SiC); металлоподобные (имеющие нестехиометрический состав, например, цементит (Fe3C)).

Нитриды

Нитри́ды — соединения азота с менее электроотрицательными элементами, например, с металлами (AlN;TiNx;Na3N;Ca3N2;Zn3N2; и т. д.) и с рядом неметаллов (NH3, BN, Si3N4). Соединения азота с металлами чаще всего являются тугоплавкими и устойчивыми при высоких температурах веществами, например, эльбор. Нитридные покрытия придают изделиям твёрдость, коррозионную стойкость; находят применение в энергетике, космической технике.

Гидриды

Гидри́ды — соединения водорода с металлами и с имеющими меньшую электроотрицательность, чем водород, неметаллами. Иногда к гидридам причисляют соединения всех элементов с водородом. Наиболее распространёнными являются бинарные гидриды. Они делятся на три типа в зависимости от характера связи в соединении: ионные (водород и щелочной или щелочноземельный металл), металлические (гидриды переходных металлов или редкоземельных элементов) и ковалентные (молекулярные) (гидриды неметаллов или Al, Be, Sn, Sb, As, Te, Ge).

Интерметаллиды

Металлические соединения, или интерметаллиды — один из четырёх базовых вариантов взаимодействия между металлами (остальные три — полное отсутствие какого-либо влияния, взаимное растворение в жидком состоянии и образование эвтектики в твердом, а также формирование как жидких, так и твердых растворов любого состава). В отличие от, например, твердых растворов интерметаллиды характеризуются сложной кристаллической структурой, непохожей на структуру исходных веществ; аналогичным образом у них могут появляться физические или химические особенности, не свойственные их составляющим в чистом виде. В целом для интерметаллидов характерно широкое разнообразие кристаллических структур и типов химической связи, что, в свою очередь, является причиной обширного спектра их возможных физических и химических свойств.

Интерметаллиды, как и другие химические соединения, имеют фиксированное соотношение между компонентами. Интерметаллиды обладают, как правило, высокой твёрдостью и высокой химической стойкостью. Очень часто интерметаллиды имеют более высокую температуру плавления, чем исходные металлы. Почти все интерметаллиды хрупки, так как связь между атомами в решётке становится ковалентной или ионной (например, в ауриде цезия CsAu), а не металлической. Некоторые из них имеют полупроводниковые свойства, причём, чем ближе к стехиометрии соотношение элементов, тем выше электрическое сопротивление. Никелид титана, известный под маркой «нитинол», обладает памятью формы — после закалки изделие может быть деформировано механически, но примет исходную форму при небольшом нагреве.

Нестехиометрические соединения

Вплоть до начала XX века аксиоматическим считалось положение о постоянстве состава тех или иных веществ, впервые высказанное и сформулированное веком ранее. Рассматриваемое утверждение было аналогичным образом поименовано как закон постоянства состава, а соответствующее свойство веществ — как стехиометричность. Впоследствии проведенные ученым Н. С. Курнаковым исследования показали, что существуют также и соединения переменного состава, то есть нестехиометрические, и при этом они характеризуются довольно высокой степенью распространенности в природе. Н. С. Курнаков предложил также именовать соединения постоянного состава дальтонидами, а переменного — бертоллидами.

В той или иной степени переменный состав характерен для тех веществ, у которых наблюдается либо атомное, либо ионное строение. В таком случае в кристалле могут возникать различного рода дефекты — либо недостаток атомов в определенных узлах, либо их избыток в промежутках между узлами. К примеру, явная нестехиометричность характерна для оксида и сульфата железа (II). Существуют определенные пределы, внутри которых отклонения от стехиометрического состава считаются допустимыми; соответствующий диапазон называется областью гомогенности. В свою очередь, вещества с молекулярным строением имеют постоянный состав; следует, впрочем, заметить, что вплоть до 95 % неорганических веществ такого строения не имеют и в силу этого являются нестехиометрическими. Длительное преобладание представлений о постоянстве состава объясняется тем, что часто изменения оказываются недостаточно существенными для их обнаружения в ходе химического анализа.

См. также

  • Органическая химия

Примечания

Литература

  • Капустинский А. Ф. Очерки по истории неорганической и физической химии в России. М.-Л., 1949
  • Жамбулова М. Ш. Развитие неорганической химии (Историко-методологический аспект). Алма-Ата, 1981.- 187 с.
  • Неорганическое материаловедение в СССР. Под ред. И. В. Тананаева — Киев: Наукова думка, 1983. — 720 с.
  • Популярная библиотека химических элементов. Т. 1,2. / Под ред. И. В. Петрянова-Соколова — М.: Наука, 1983. — 575 с., — 572 с.
  • Реми Г. Курс неорганической химии. Т. 1. М.: Изд-во иностранной литературы, 1963. — 920 с.
  • Реми Г. Курс неорганической химии. Т. 2. М.: Мир, 1974. — 775 с.
  • Шрайвер Э. Неорганическая химия. Т. 1,2. / Э. Шрайвер, П. Эткинс — М.: Мир, 2004. — 679 с., — 486 с.
  • Энциклопедия неорганических материалов / Под ред. И. М. Федорчен-ко. В 2-х т. — Киев: Укр. сов. энциклопедия, 1977. — 1652 с.
  • Аблесимов Н. Е. Синопсис химии: Справочно-учебное пособие по общей химии — Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2005. — 84 с. — http://www.neablesimov.narod.ru/pub04c.html
  • Аблесимов Н. Е. Сколько химий на свете? ч. 1. // Химия и жизнь — XXI век. — 2009. — № 5. — С. 49-52.
  • Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. — 4 изд., испр. — Москва: Высшая школа, Издательский центр «Академия», 2001. — С. 253—269. — 743 с. — 15 000 экз. — ISBN 5-06-003363-5, 5-7695-0704-7.

Ссылки

  • Неорганическая химия

Рассказать друзьям: