Неорганическая химия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

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[1]). Различия между органическими и неорганическими соединениями, содержащими углерод, являются по некоторым представлениям произвольными.[2] 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.

В России исследованиями в области неорганической химии занимаются Институт неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН (ИНХ СО РАН, Новосибирск), Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова (ИОНХ РАН, Москва), Институт физико-химических проблем керамических материалов (ИФХПКМ, Москва), Научно-технический центр «Сверхтвёрдые материалы» (НТЦ СМ, Троицк) и ряд других учреждений. Результаты исследований публикуются в журналах («Журнал неорганической химии» и др.).

История определения[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

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[3] 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[править | править исходный текст]

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.

Металлы[править | править исходный текст]

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[4] химических элементов, открытых на данный момент (из них не все официально признаны), к металлам относят:

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[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

Количественная классификация[править | править исходный текст]

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

Бинарные соединения[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

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.

Качественная классификация[править | править исходный текст]

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

Оксиды[править | править исходный текст]

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.

Соли[править | править исходный текст]

Со́ли — класс химических соединений, к которому относятся вещества, состоящие из катионов металла (или катионов аммония ~\mathrm{NH_4^+}; известны соли фосфония ~\mathrm{PH_4^+ } или гидроксония ~\mathrm{H_3O^+}) и анионов кислотного остатка. Типы солей:

  • Средние (нормальные) соли — все атомы водорода в молекулах кислоты замещены на атомы металла. Пример: ~\mathrm{Na_2CO_3}, ~\mathrm{K_3PO_4}.
  • Кислые соли — атомы водорода в кислоте замещены атомами металла частично. Они получаются при нейтрализации основания избытком кислоты. Пример: ~\mathrm{NaHCO_3}, ~\mathrm{K_2HPO_4}.
  • Осно́вные соли — гидроксогруппы основания (OH) частично замещены кислотными остатками. Пример: ~\mathrm{(CuOH)_2CO_3}.
  • Двойные соли — в их составе присутствует два различных катиона, получаются кристаллизацией из смешанного раствора солей с разными катионами, но одинаковыми анионами. Пример: ~\mathrm{KAl(SO_4)_2 \cdot 12 \ H_2O}.
  • Смешанные соли — в их составе присутствует два различных аниона. Пример: ~\mathrm{Ca(OCl)Cl}.
  • Гидратные соли (кристаллогидраты) — в их состав входят молекулы кристаллизационной воды. Пример: ~\mathrm{Na_2SO_4 \cdot 10 \ H_2O}.
  • Комплексные соли — в их состав входит комплексный катион или комплексный анион. Пример: ~\mathrm{K_3[Fe(CN)_6]}, ~\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[править | править исходный текст]

Основа́ния — класс химических соединений:

Кислоты[править | править исходный текст]

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.

Прочее[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

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 кремния4С и SiC), титана, вольфрама, циркония (TiC, WC и ZrC соответственно) обладают высокой твёрдостью, жаростойкостью, химической инертностью.

Нитриды[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

Гидри́ды — соединения водорода с металлами и с имеющими меньшую электроотрицательность, чем водород, неметаллами. Иногда к гидридам причисляют соединения всех элементов с водородом. Гидриды делятся на три типа в зависимости от характера связи в соединении: ионные гидриды, металлические гидриды и ковалентные гидриды.[5][6].

Интерметаллиды[править | править исходный текст]

Металлические соединения, или интерметаллиды — один из четырех 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[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

  1. К неорганическим соединениям углерода обычно относят некоторые соли (карбонаты, цианиды, цианаты, тиоцианаты) и соответствующие им кислоты, а также оксиды углерода, карбонилы металлов и карбиды.
  2. Spencer L. Seager, Michael R. Slabaugh. Chemistry for Today: general, organic, and biochemistry. // Thomson Brooks/Cole, 2004. — Р. 342. ISBN 0-534-39969-X
  3. В книге В. М. Потапов, Г. Н. Хомченко «Химия», М. 1982 (стр. 26) утверждается, что их более 400.
  4. Международный химический союз признал 112-й химический элемент
  5. Гидриды. XuMuK.ru. Проверено 15 июля 2010. Архивировано из первоисточника 22 июня 2012.
  6. onium compounds // IUPAC Gold Book

Литература[править | править исходный текст]

  • 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 ли-тературы, 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[править | править исходный текст]


Иконка портала Химический портал — мир химии, веществ и превращений на страницах Википедии.