Anorganická chemie

Anorganická chemie je obor chemie spojený se studiem struktury, reaktivity a vlastností všech chemických prvků a jejich anorganických sloučenin . Tato oblast zahrnuje všechny chemické sloučeniny s výjimkou organických látek (třída sloučenin, které zahrnují uhlík , s výjimkou několika jednoduchých sloučenin, obvykle příbuzných anorganickým [1] ). Rozdíly mezi organickými a anorganickými sloučeninami obsahujícími uhlík jsou podle některých představ libovolné [2] . Anorganická chemie studuje chemické prvky a jednoduché a složité látky, které tvoří (kromě organických sloučenin). Zajišťuje tvorbu materiálů nejmodernější technologií. Počet známých anorganických látek se v roce 2013 blíží 500 tisícům.

Teoretickým základem anorganické chemie je periodický zákon a na něm založený periodický systém D. I. Mendělejev . Nejdůležitějším úkolem anorganické chemie je vyvinout a vědecky zdůvodnit metody pro vytváření nových materiálů s vlastnostmi požadovanými pro moderní technologie.

Historie definic

Historicky název anorganická chemie pochází z myšlenky části chemie, která se zabývá studiem prvků, sloučenin a reakcí látek, které nejsou tvořeny živými bytostmi. Od syntézy močoviny z anorganické sloučeniny kyanátu amonného (NH 4 OCN), kterou v roce 1828 provedl vynikající německý chemik Friedrich Wöhler , se však hranice mezi neživými a živými látkami stírají. Živé bytosti tedy produkují mnoho anorganických látek. Na druhou stranu téměř všechny organické sloučeniny lze syntetizovat v laboratoři. Rozdělení do různých oblastí chemie je však stejně jako dříve relevantní a nezbytné, protože reakční mechanismy, struktura látek v anorganické a organické chemii jsou odlišné. To usnadňuje systematizaci metod a metod výzkumu v každém z odvětví.

Klasifikace chemických prvků

Periodická tabulka chemických prvků ( Mendělejevova tabulka ) je klasifikace chemických prvků , která stanoví závislost různých vlastností prvků na náboji atomového jádra . Systém je grafickým vyjádřením periodického zákona , který zavedl ruský chemik D. I. Mendělejev v roce 1869 . Jeho původní verzi vyvinul D. I. Mendělejev v letech 1869-1871 a stanovil závislost vlastností prvků na jejich atomové hmotnosti (moderně řečeno na atomové hmotnosti ). Celkem bylo navrženo několik stovek [3] variant zobrazení periodického systému (analytické křivky, tabulky, geometrické obrazce atd.). V moderní verzi systému se předpokládá redukce prvků do dvourozměrné tabulky, ve které každý sloupec ( skupina ) určuje hlavní fyzikální a chemické vlastnosti a řádky představují periody , které jsou si navzájem podobné. určité míře.

Jednoduché látky

Skládají se z atomů jednoho chemického prvku (jsou formou jeho existence ve volném stavu). V závislosti na tom, jaká je chemická vazba mezi atomy, jsou všechny jednoduché látky v anorganické chemii rozděleny do dvou hlavních skupin: kovy a nekovy . První jsou charakterizovány kovovou vazbou , zatímco druhé jsou kovalentní . Je však třeba poznamenat, že výše uvedené jednoduché látky nemají mezi sebou radikální a významné rozdíly. Rozlišují se také dvě sousední skupiny - látky podobné kovům a látky podobné nekovům. Existuje fenomén alotropie , který spočívá v možnosti tvorby několika typů jednoduchých látek z atomů stejného prvku; každý z těchto typů se nazývá alotropní modifikace. Pokud je tento jev způsoben odlišným molekulárním složením, pak je definován jako alotropie složení; pokud metodou uspořádání molekul a atomů v krystalech, tak jako alotropie formy.

Kovy

Kovy (z lat. metallum - důl, důl) - skupina prvků s charakteristickými kovovými vlastnostmi , jako je vysoká tepelná a elektrická vodivost , kladný teplotní koeficient odporu , vysoká tažnost a kovový lesk. Ze 118 [4] chemických prvků objevených v současné době (ne všechny jsou oficiálně uznány) kovy zahrnují:

6 prvků ve skupině alkalických kovů ,
6 ve skupině kovů alkalických zemin ,
38 ve skupině přechodných kovů ,
11 ve skupině lehkých kovů ,
7 ve skupině semimetal ,
14 ve skupině lanthanoidy + lanthan ,
14 ve skupině aktinidů (fyzikální vlastnosti nebyly studovány u všech prvků) + aktinium ,
mimo určité skupiny berylia a hořčíku .

96 ze všech objevených prvků tedy patří kovům.

Kvůli zvláštnostem kovové atomové vazby (jmenovitě nenasycení a nesměrovost) se kovy vyznačují nejhustšími koordinačními mřížkami. Nejtypičtější jsou pro ně kubické plošně centrované, kubické tělo centrované a hexagonální krystalové mřížky . Navíc, kvůli energetické blízkosti mřížek, mnoho kovů vykazuje polymorfismus .

Nekovy

Nekovy jsou chemické prvky s typicky nekovovými vlastnostmi, které zaujímají pravý horní roh periodické tabulky . V molekulární formě se dusík , kyslík a síra vyskytují v přírodě jako jednoduché látky . Častěji jsou nekovy v chemicky vázané formě: jedná se o vodu , minerály , horniny , různé silikáty , fosfáty , boritany . Z hlediska rozšíření v zemské kůře se nekovy výrazně liší. Nejběžnější jsou kyslík , křemík , vodík ; nejvzácnější jsou arsen , selen , jód . Charakteristickým znakem nekovů je větší (ve srovnání s kovy ) počet elektronů na vnější energetické úrovni jejich atomů . To určuje jejich větší schopnost přidávat další elektrony a vykazovat vyšší oxidační aktivitu než kovy. Mezi nekovy patří také vodík a helium .

Sloučeniny

Kvantitativní klasifikace

Počtem prvků, které látku tvoří, se liší binární, tříprvkové sloučeniny atd.

Binární sloučeniny

Binární sloučeniny jsou sloučeniny, které se skládají z atomů dvou prvků. Jejich klasifikace se také provádí na základě typu chemické vazby; emitují sloučeniny iontové , kovalentní, kovové a také charakterizované smíšeným typem vazby. Jejich chemické vlastnosti se liší v závislosti na chemické povaze jednotlivých prvků: sloučeniny obsahující kovové prvky se vyznačují zásaditými vlastnostmi, zatímco sloučeniny nekovových prvků vykazují vlastnosti kyselé.

Tříprvkové sloučeniny

Tříprvkové sloučeniny jsou složením nejjednodušší sloučeniny, které vznikají při interakci zpravidla binárních sloučenin, které se od sebe výrazně liší chemickou povahou. Z hlediska chemické vazby se dělí na iontové, kovalentní a iontově-kovalentní. V závislosti na stabilitě iontů jejich vnější sféry se stabilita aniontových komplexů mění, což zase ovlivňuje vlastnosti sloučeniny a míru její podobnosti s binární.

Jestliže se vzájemně působící sloučeniny chemickou povahou od sebe jen málo liší, pak v důsledku vznikají zvláštní druhy látek: směsné sloučeniny, pevné roztoky a eutektika . První z nich jsou polymery , které jsou produktem interakce sloučenin prvků, které jsou stejně náchylné k tvorbě komplexů (například oxid hlinitý a oxid hořečnatý ), druhé vznikají, pokud elektropozitivní prvky mohou tvořit podobné strukturní jednotky (tj. nemají zásadní rozdíly v částech struktury, velikosti a stability) a třetí jsou výsledkem interakce sloučenin takových prvků, které jsou si chemicky blízké, ale liší se strukturou nebo velikostí atomů . V druhém případě k chemické interakci, přísně vzato, vůbec nedochází - objevuje se mechanický konglomerát krystalů.

Kvalitativní klasifikace

Většinu komplexních anorganických látek (tj. sestávajících ze dvou nebo více chemických prvků) lze rozdělit do následujících skupin:

Oxidy

Oxid ( oxid , oxid ) je binární sloučenina chemického prvku s kyslíkem v oxidačním stavu −2, ve kterém je samotný kyslík spojen pouze s méně elektronegativním prvkem. Chemický prvek kyslík je druhý v elektronegativitě po fluoru , proto téměř všechny sloučeniny chemických prvků s kyslíkem patří k oxidům. Mezi výjimky patří například difluorid kyslíku OF 2 . Oxidy jsou velmi běžným typem sloučenin vyskytujících se v zemské kůře a ve vesmíru obecně. Příklady takových sloučenin jsou rez , voda , písek , oxid uhličitý , řada barviv. Oxidy jsou třídou minerálů , což jsou sloučeniny kovu s kyslíkem.

V závislosti na chemických vlastnostech existují:

Oxidy tvořící soli :
- bazické oxidy (například oxid sodný Na20, oxid měďnatý CuO) : oxidy kovů, jejichž oxidační stupeň je I-II;
- oxidy kyselin (například oxid síry (VI) SO 3 , oxid dusnatý (IV) NO 2 ): oxidy kovů s oxidačním stupněm V-VII a oxidy nekovů;
- amfoterní oxidy (například oxid zinečnatý ZnO, oxid hlinitý Al 2 O 3 ): oxidy kovů s oxidačním stupněm III-IV a výjimkami (ZnO, BeO, SnO, PbO);
Nesolnotvorné oxidy : oxid uhelnatý (II) CO, oxid dusnatý (I) N 2 O, oxid dusnatý (II) NO, oxid křemičitý (II) SiO.

Soli

Soli jsou třídou chemických sloučenin, které zahrnují látky sestávající z kovových kationtů (nebo amoniových kationtů ; jsou známé fosfoniové nebo hydroxoniové soli ) a aniontů kyselých zbytků. Druhy soli: $\mathrm {NH_{4}^{+}}$ $\mathrm {PH_{4}^{+}}$ $\mathrm {H_{3}O^{+}}$

Průměrné (normální) soli - všechny atomy vodíku v molekulách kyseliny jsou nahrazeny atomy kovů . Příklad: , . $\mathrm {Na_{2}CO_{3))$ $\mathrm {K_{3}PO_{4}}$
Soli kyselin - atomy vodíku v kyselině jsou částečně nahrazeny atomy kovů. Získávají se neutralizací zásady přebytkem kyseliny. Příklad:,. $\mathrm {NaHCO_{3))$ $\mathrm {K_{2}HPO_{4}}$
Bazické soli - hydroxoskupiny zásady (OH - ) jsou částečně nahrazeny zbytky kyselin. Příklad: . $\mathrm {(CuOH)_{2}CO_{3))$
Podvojné soli - obsahují dva různé kationty, získávají se krystalizací ze směsného roztoku solí s různými kationty, ale stejnými anionty. Příklad:. $\mathrm {KAl(SO_{4})_{2}\cdot 12\ H_{2}O}$
Směsné soli – obsahují dva různé anionty. Příklad: . $\mathrm {Ca(OCl)Cl}$
Hydratované soli ( krystalické hydráty ) - zahrnují molekuly krystalizační vody . Příklad: . $\mathrm {Na_{2}SO_{4}\cdot 10\ H_{2}O}$
Komplexní soli - zahrnují komplexní kation nebo komplexní anion. Příklad:,. $\mathrm {K_{3}[Fe(CN)_{6}]}$ $\mathrm {[Cu(NH_{3})_{4}](OH)_{2))$

Zvláštní skupinu tvoří soli organických kyselin, které se svými vlastnostmi výrazně liší od minerálních solí. Některé z nich lze přiřadit zvláštní třídě organických solí, takzvaným iontovým kapalinám nebo jinými slovy „kapalným solím“, organickým solím s bodem tání pod 100 °C.

Základy

Báze jsou třídou chemických sloučenin:

Báze ( zásadité hydroxidy ) jsou komplexní látky, které se skládají z atomů kovů nebo amonných iontů a hydroxoskupiny (-OH). Ve vodném roztoku disociují za vzniku kationtů a aniontů OH - . Název báze se obvykle skládá ze dvou slov: „hydroxid kov/hydroxid amonný“. Zásady, které jsou snadno rozpustné ve vodě, se nazývají zásady .
Podle jiné definice jsou báze jednou z hlavních tříd chemických sloučenin , látek, jejichž molekuly jsou akceptory protonů .

Kyseliny

Kyseliny jsou složité látky , které obvykle zahrnují atomy vodíku , které mohou být nahrazeny atomy kovu , a zbytek kyseliny . Vodné roztoky kyselin mají kyselou chuť, mají dráždivý účinek, jsou schopny změnit barvu indikátorů a liší se řadou společných chemických vlastností.

Kromě rozdělení na Lewisovy kyseliny a Bronstedovy kyseliny jsou tyto obvykle klasifikovány podle různých formálních kritérií:

Podle obsahu atomů kyslíku [5] : anoxické ( HCl , H 2 S , HCN ); obsahující kyslík ( HNO 3 , H 2 SO 4 ).
Podle počtu kyselých atomů vodíku [ 5] : jednosytný ( HNO 3 ); dvojsytný ( H2Se04 ) ; _ tribazické ( H3P04 , H3BO3 ) ; _ _ _ _ polybasic.
Podle síly: silný - disociuje téměř úplně, disociační konstanty jsou větší než 1⋅10 −3 ( HNO 3 ); slabý - disociační konstanta je menší než 1⋅10 −3 ( kyselina octová K d = 1,7⋅10 −5 ).
Podle stability : stabilní ( H2SO4 ) ; nestabilní ( H 2 CO 3 ).
Tím, že patří do tříd chemických sloučenin: anorganické ( HBr ); organické ( HCOOH , CH3COOH ) ;
Podle těkavosti: těkavý ( HN03 , H2S ) ; netěkavý ( H2S04 ) ; _
Podle rozpustnosti ve vodě : rozpustný ( H2SO4 ) ; nerozpustný ( H2Si03 ) ; _
Podle obsahu atomů kovů: obsahující kov ( HMnO 4 , H 2 TiO 3 ); nekovové ( HN03 , HCN ) .

Různé

Dále lze rozlišit následující skupiny anorganických látek: karbidy , nitridy , hydridy , intermetalické sloučeniny a další, které nezapadají do výše uvedené klasifikace (podrobněji viz Anorganická látka ).

Karbidy

Karbidy jsou sloučeniny kovů a nekovů s uhlíkem . Karbidy tradičně zahrnují sloučeniny, ve kterých má uhlík vyšší elektronegativitu než druhý prvek (tedy sloučeniny uhlíku, jako jsou oxidy, halogenidy a podobně, jsou z karbidů vyloučeny). Karbidy jsou žáruvzdorné pevné látky: karbidy boru a křemíku (B 4 C a SiC), titan , wolfram , zirkonium (TiC, WC a ZrC, v tomto pořadí) mají vysokou tvrdost, tepelnou odolnost a chemickou inertnost.

Karbidy se dělí na následující typy: solné ( CaC 2 , Al 4 C 3 ); kovalentní ( karborundum SiC); kovové (s nestechiometrickým složením, například cementit (Fe 3 C)).

Nitridy

Nitridy jsou sloučeniny dusíku s méně elektronegativními prvky, např. s kovy (AlN; TiN x ; Na 3 N; Ca 3 N 2 ; Zn 3 N 2 ; atd.) a s řadou nekovů ( NH 3 , BN , Si 3N4 ) . _ Sloučeniny dusíku s kovy jsou nejčastěji žáruvzdorné a stabilní při vysokých teplotách, jako je Elbor . Nitridové povlaky dodávají výrobkům tvrdost, odolnost proti korozi; se používají v energetice a vesmírných technologiích.

Hydridy

Hydridy jsou sloučeniny vodíku s kovy a s nekovy , které mají nižší elektronegativitu než vodík . Někdy hydridy zahrnují sloučeniny všech prvků s vodíkem . Nejběžnější jsou binární hydridy. Dělí se na tři typy podle povahy vazby ve sloučenině: iontové (vodík a alkalický kov nebo kov alkalických zemin), kovové (hydridy přechodných kovů nebo vzácných zemin) a kovalentní (molekulární) (nekovové hydridy nebo Al, Be, Sn, Sb, As, Te, Ge) [6] .

Intermetalické látky

Sloučeniny kovů, neboli intermetalické sloučeniny, jsou jednou ze čtyř základních možností interakce mezi kovy (dalšími třemi jsou úplná absence jakéhokoli vlivu, vzájemné rozpouštění v kapalném stavu a tvorba eutektik v pevném stavu, stejně jako tvorba kapalných i pevných roztoků libovolného složení). Na rozdíl např. od pevných roztoků se intermetalické sloučeniny vyznačují složitou krystalickou strukturou, na rozdíl od struktury původních látek; podobně mohou vyvinout fyzikální nebo chemické vlastnosti, které se nenacházejí v jejich čistých složkách. Obecně se intermetalické sloučeniny vyznačují širokou škálou krystalových struktur a typů chemických vazeb, což je zase důvodem pro širokou škálu jejich možných fyzikálních a chemických vlastností.

Intermetalické látky, stejně jako jiné chemické sloučeniny, mají pevný poměr mezi složkami. Intermetalické sloučeniny mají zpravidla vysokou tvrdost a vysokou chemickou odolnost. Velmi často mají intermetalické sloučeniny vyšší bod tání než základní kovy. Téměř všechny intermetalické sloučeniny jsou křehké, protože vazba mezi atomy v mřížce se stává kovalentní nebo iontovou (například v cesiu auridu CsAu), spíše než kovová. Některé z nich mají polovodičové vlastnosti a čím blíže je poměr prvků ke stechiometrii, tím vyšší je elektrický odpor. Nikelid titanu, známý pod obchodním názvem " nitinol ", má tvarovou paměť - po vytvrzení lze výrobek mechanicky deformovat, ale při mírném zahřátí získá původní tvar.

Nestechiometrické sloučeniny

Až do počátku 20. století byl postoj ke stálosti složení určitých látek, poprvé vyjádřený a formulovaný o století dříve, považován za axiomatický. Dotyčný výrok byl podobně pojmenován jako zákon stálosti složení a odpovídající vlastnost látek se nazývala stechiometrie. Následně studie provedené vědcem N. S. Kurnakovem ukázaly, že existují i sloučeniny s proměnlivým složením, tedy nestechiometrické, a zároveň se vyznačují poměrně vysokým stupněm prevalence v přírodě. N. S. Kurnakov také navrhl nazývat sloučeniny konstantního složení daltonidy a proměnlivé - berthollidy .

Proměnlivé složení je do určité míry charakteristické pro ty látky, ve kterých je pozorována buď atomová nebo iontová struktura. V tomto případě se mohou v krystalu objevit různé druhy defektů – buď nedostatek atomů na určitých místech, nebo jejich nadbytek v mezerách mezi místy. Například jasná nestechiometrická charakteristika oxidu železa a síranu (II) . Existují určité meze, v nichž jsou odchylky od stechiometrického složení považovány za přijatelné; odpovídající rozsah se nazývá oblast homogenity. Látky s molekulární strukturou mají zase konstantní složení; je však třeba poznamenat, že až 95 % anorganických látek nemá takovou strukturu, a proto jsou nestechiometrické. Dlouhodobá převaha představ o stálosti složení se vysvětluje tím, že často změny nejsou dostatečně významné pro jejich detekci v průběhu chemické analýzy .

Viz také

Organická chemie

Poznámky

↑ Anorganické sloučeniny uhlíku obvykle zahrnují některé soli ( uhličitany , kyanidy , kyanáty , thiokyanáty ) a jim odpovídající kyseliny, stejně jako oxidy uhlíku , karbonyly kovů a karbidy .
↑ Spencer L. Seager, Michael R. Slabaugh. Chemie pro dnešek: obecná, organická a biochemie . // Thomson Brooks / Cole, 2004. - S. 342. ISBN 0-534-39969-X
↑ V knize V. M. Potapova, G. N. Khomčenka „Chemie“, M. 1982 (s. 26) je uvedeno, že jich je více než 400.
↑ Mezinárodní chemická unie uznala 112. chemický prvek . Datum přístupu: 21. března 2012. Archivováno z originálu 6. února 2012. (neurčitý)
↑ 1 2 Rudzitis G. E., Feldman F. G. Chemie. Anorganická chemie. 8. třída. - 15. vyd. - M . : Vzdělávání, 2011. - S. 101. - ISBN 978-5-09-025532-5 .
↑ Hydrides / A.I. Žirov // Velká ruská encyklopedie : [ve 35 svazcích] / kap. vyd. Yu. S. Osipov . - M .: Velká ruská encyklopedie, 2004-2017.

Literatura

Kapustinsky A.F. Eseje o historii anorganické a fyzikální chemie v Rusku. M.-L., 1949
Zhambulova M. Sh. Vývoj anorganické chemie (historický a metodologický aspekt). Alma-Ata, 1981.- 187 s.
Věda o anorganických materiálech v SSSR. Ed. I. V. Tananaeva - Kyjev: Naukova Dumka, 1983. - 720 s.
Populární knihovna chemických prvků. T. 1,2. / Ed. I. V. Petrjanová-Sokolová - M .: Nauka, 1983. - 575 s., - 572 s.
Remy G. Kurz anorganické chemie. T. 1. M .: Nakladatelství zahraniční literatury, 1963. - 920 s.
Remy G. Kurz anorganické chemie. T. 2. M.: Mir, 1974. - 775 s.
Shriver E. Anorganická chemie. T. 1,2. / E. Shriver, P. Atkins - M .: Mir, 2004. - 679 s., - 486 s.
Encyklopedie anorganických materiálů / Ed. I. M. Fedorčenko. Ve 2 svazcích - Kyjev: Ukr. sovy. Encyklopedie, 1977. - 1652 s.
Ablesimov N. E. Synopse of Chemistry: Reference a učebnice obecné chemie - Chabarovsk: DVGUPS Publishing House, 2005. - 84 s. — http://www.neablesimov.narod.ru/pub04c.html Archivováno 5. prosince 2009 na Wayback Machine
Ablesimov N.E. Kolik chemických látek je na světě? část 1. // Chemie a život - XXI století. - 2009. - č. 5. - S. 49-52.
Achmetov N.S. Obecná a anorganická chemie. - 4. vyd., opraveno. - Moskva: Higher School, Publishing Center "Academy", 2001. - S. 253-269. — 743 s. — 15 000 výtisků. - ISBN 5-06-003363-5 , 5-7695-0704-7.

Odkazy

Anorganická chemie

Slovníky a encyklopedie

V bibliografických katalozích
BNE : XX525776 BNF : 11978675s GND : 4002145-2 J9U : 987007284918505171 LCCN : sh85023017 NDL : 00567903 NKC : ph114061