Неорганічна хімія

Неоргані́чна хі́мія — галузь науки про хімічні елементи, їх прості та складні сполуки (крім органічних), а також закономірності перетворення цих речовин. Неорганічна хімія вивчає хімічні елементи і утворені ними прості і складні речовини (крім органічних сполук вуглецю). Забезпечує створення матеріалів новітньої техніки. На даний момент у світі нараховується близько 400 000 неорганічних речовин.

Теоретичним фундаментом неорганічної хімії є періодичний закон і заснована на ньому періодична система хімічних елементів. Найважливіше завдання неорганічної хімії полягає в розробці та науковому обґрунтуванні способів створення нових матеріалів з потрібними для сучасної техніки властивостями.

Історичне визначення[ред.]

Історично назва неорганічна хімія походить від уявлення про частину хімії, яка займається дослідженням елементів, сполук, а також реакцій речовин, які не утворені живими істотами. Однак від часів синтезу сечовини з неорганічної сполуки ціанату амонію (NH₄OCN), який здійснив у 1828 році видатний німецький хімік Фрідріх Велер, стираються межі між речовинами неживої та живої природи, оскільки живі істоти продукують багато неорганічних речовин, а майже всі органічні сполуки можна синтезувати в лабораторії. Проте розподіл на різні галузі хімії є актуальним та потрібним як і раніше, оскільки механізми реакцій, структура речовин у неорганічній та органічній хімії розрізняються. Це дозволяє простіше систематизувати методи та способи дослідження у кожній із галузей.

Основні напрямки досліджень[ред.]

Прості речовини[ред.]

Докладніше у статті Прості речовини

Оскільки прості речовини дуже широко використовуються у хімічній промисловості, неорганічна хімія вивчає будову простих речовин, їх хімічні та фізичні властивості, методи отримання.

Сполуки елементів основних груп[ред.]

Неорганічна хімія вивчає методи отримання сполук елементів основних груп періодичної таблиці, їх властивості, поширення в природі та використання. Також неорганічна хімія вивчає загальні правила та закони, які витікають із порівняння властивостей різних речовин, а також шукає пояснення цих правил та законів.

Сполуки перехідних металів[ред.]

Докладніше у статті Перехідні метали

Сполуки металів 4-11 груп в довгоперіодному варіанті таблиці називають сполуками перехідних металів.

Сполуки перехідних металів можуть утворювати дуже велику кількість координаційних сполук з різноманітною геометрією: від тетраедра для Титану, планарного квадрату для деяких комплексів Ніколу до октаедру для комплексних сполук Кобальту. Багато перехідних металів виконують важливу роль у біологічних процесах (Ферум в гемоглобіні).

Металоорганічні сполуки[ред.]

Докладніше у статті Металоорганічні сполуки

До металоорганічних сполук належать сполуки, в яких метал безпосередньо зв'язаний з органічним Карбоном. Метал може бути як з основної групи, так і перехідним металом.

Металоорганічні сполуки виділяють в окрему категорію, оскільки органічні ліганди часто є чутливими до гідролізу або окиснення, що вимагає від металоорганічної хімії використання особливих препаративних засобів та методів.

Хімічні реакції[ред.]

Докладніше у статті Хімічна реакція

У неорганічній хімії важливу роль відіграють хімічні реакції. Найважливішими з них є Кислотно-основні реакції та Окисно-відновні реакції. Як правило ці реакції є рівноважними та з високою ентальпією. Через це хімічні реакції у неорганічній хімії є дуже швидкими і з високим виходом продуктів реакції. На противагу, хімічні реакції у органічній хімії є часто повільними і не завжди з високим виходом продуктів реакції.

У процесі окисно-відновної реакції відновник віддає електрони, тобто окиснюється; окисник приєднує електрони, тобто відновлюється. Причому будь-яка окисно-відновна реакція є єдність двох протилежних перетворень — окиснення та відновлення, що відбуваються одночасно та без відриву одне від одного. Типовими і найпростішими окисно-відновними реакціями є утворення сполук з окремих елементів: наприклад утворення води з кисню і водню, чи корозія металів коли, наприклад, Ферум реагує з киснем з утвореннят оксидів.

У кислотно-основних реакціях відбувається перенесення протону. Кислота передає основі протон. При цих реакціях в основному утворюється вода і сіль. Наприклад:

$\mathrm{H_3O^{+}_{(aq)} + Cl^{-}_{(aq)} + Na^{+}_{(aq)} + OH^{-}_{(aq)} \longrightarrow\ Na^+_{(aq)} + Cl^-_{(aq)} + 2 \ H_2O}$

Хлоридна кислота + Гідроксид натрію реагують у водному розчині з утворенням Хлориду натрію та води.

Такі реакції протікають також швидко і легко контролюються за допомогою індикатора, що дозволяє використовувати їх у аналітичній хімії.

Утворення нерозчинних чи газоподібних продуктів реакції є їх важливою рушійною силою. При цьому ці продукти залишають зону реакції і при цьому зрушують рівновагу у сторону утворення цих продуктів так, що реакція протікає до кінця. Так наприклад при реакції розчинів хлориду барію та сульфату натрію, утворюється важкорозчинний сульфат барію. При його відфільтруванні у розчині, що залишився не знаходять більше йонів барію.

$\mathrm{BaCl_2 + Na_2SO_4 \longrightarrow BaSO_4 + 2 \ NaCl}$

Реакції такого типу відіграють також важливу роль у аналітичній хімії. Різномнітні неорганічні сполуки можуть при високих температурах розкладатися з виділенням газів. Так при нагріванні карбонат кальцію, не плавлячись, розкладається з утворенням оксиду кальцію і діоксиду вуглецю:

$\mathrm{CaCO_3 \longrightarrow CaO + CO_2}$ ↑

Методи дослідження неорганічних сполук[ред.]

З погляду на велику різноманітність неорганічних сполук та їх властивостей у неорганічній хімії використовують багато методів аналізу для їх характеристики. Старішими методами є визначенення загальних властивостей речовини, таких як температура плавлення, електрична провідність, розчинність чи кислотність тощо. З приходом квантової теорії та розвитком електронного обладнання у вжиток входять нові інструменти для дослідження будови, властивостей неорганічної речовини чи перебігу процесів. Часто паралельно з описом експериментальних данних використовують також і відповідно розраховані теоретичні моделі.

Часто використовуються такі методи дослідження неорганічних сполук:

Рентгеноструктурний аналіз, дозволяє описати кристалічну структуру неорганічних речовин
Різноманітні методи спектроскопії:
електрохімічні методи, наприклад Циклічна вольтамперометрія

та ін.

Галузі неорганічної хімії[ред.]

Технічне застосування[ред.]

Неорганічна хімія є основою для багатьох хімічних процесів і використовується у:

Хімії напівпровідників
Мінералогії
Металургії
Виробництво сталі, заліза
Виробництво цементу, бетону, будівельних розчинів
Виробництво кераміки