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 времён синтеза мочевины из неорганического соединения цианата аммония (NH ₄ OCN), 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.

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 ,
• 14 в группе актиноиды (физические свойства изучены не у всех элементов).

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 решётками. Наиболее типичны для них кубическая гранецентрированная, кубическая объёмно центрированная и гексагональная кристаллические решётки . Кроме того, из-за энергетической близости решёток 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, трёхэлементные 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.

Трёхэлементные соединения

Трёхэлементные — 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, твёрдые 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

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

• Оксиды ,
• Соли ,
• Основания ,
• 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 OF ₂ . 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 Na ₂ O, оксид меди(II) CuO): оксиды металлов, степень окисления которых I—II;
  • кислотные оксиды (например, оксид серы(VI) SO ₃ , оксид азота(IV) NO ₂ ): оксиды металлов со степенью окисления V—VII и оксиды неметаллов;
  • амфотерные оксиды (например, оксид цинка ZnO, оксид алюминия Al ₂ О ₃ ): оксиды металлов со степенью окисления III—IV и исключения (ZnO, BeO, SnO, PbO);
• Несолеобразующие оксиды : оксид углерода(II) СО, оксид азота(I) N ₂ O, оксид азота(II) NO, оксид кремния(II) SiO.

Соли

Со́ли — класс химических соединений, к которому относятся вещества , состоящие из катионов металла (или катионов аммония ${\displaystyle \mathrm {NH_{4}^{+}} }$ ; известны соли фосфония ${\displaystyle \mathrm {PH_{4}^{+}} }$ или гидроксония ${\displaystyle \mathrm {H_{3}O^{+}} }$ ) и анионов кислотного остатка. Типы солей:

• Средние (нормальные) соли — все атомы водорода в молекулах кислоты замещены на атомы металла. Пример: ${\displaystyle \mathrm {Na_{2}CO_{3}} }$ , ${\displaystyle \mathrm {K_{3}PO_{4}} }$ .
• Кислые соли — атомы водорода в кислоте замещены атомами металла частично. Они получаются при нейтрализации основания избытком кислоты. Пример: ${\displaystyle \mathrm {NaHCO_{3}} }$ , ${\displaystyle \mathrm {K_{2}HPO_{4}} }$ .
• Осно́вные соли — гидроксогруппы основания (OH ⁻ ) частично замещены кислотными остатками. Пример: ${\displaystyle \mathrm {(CuOH)_{2}CO_{3}} }$ .
• Двойные соли — в их составе присутствует два различных катиона, получаются кристаллизацией из смешанного раствора солей с разными катионами, но одинаковыми анионами. Пример: ${\displaystyle \mathrm {KAl(SO_{4})_{2}\cdot 12\ H_{2}O} }$ .
• Смешанные соли — в их составе присутствует два различных аниона. Пример: ${\displaystyle \mathrm {Ca(OCl)Cl} }$ .
• Гидратные соли ( кристаллогидраты ) — в их состав входят молекулы кристаллизационной воды . Пример: ${\displaystyle \mathrm {Na_{2}SO_{4}\cdot 10\ H_{2}O} }$ .
• Комплексные соли — в их состав входит комплексный катион или комплексный анион. Пример: ${\displaystyle \mathrm {K_{3}[Fe(CN)_{6}]} }$ , ${\displaystyle \mathrm {[Cu(NH_{3})_{4}](OH)_{2}} }$ .

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 , H ₂ S , HCN ); кислородсодержащие ( HNO ₃ , H ₂ SO ₄ ).
• По количеству кислых атомов водорода : одноосновные ( HNO ₃ ); двухосновные ( H ₂ SeO ₄ ); трёхосновные ( H ₃ PO ₄ , H ₃ BO ₃ ); многоосновные.
• По силе: сильные — диссоциируют практически полностью, константы диссоциации больше 1⋅10 ⁻³ ( HNO ₃ ); слабые — константа диссоциации меньше 1⋅10 ⁻³ ( уксусная кислота K _д = 1,7⋅10 ⁻⁵ ).
• По устойчивости: устойчивые ( H ₂ SO ₄ ); неустойчивые ( H ₂ CO ₃ ).
• По принадлежности к классам химических соединений: неорганические ( HBr ); органические ( HCOOH , CH ₃ COOH );
• По летучести: летучие ( HNO ₃ , H ₂ S ); нелетучие ( H ₂ SO ₄ ) ;
• По растворимости в воде: растворимые ( H ₂ SO ₄ ); нерастворимые ( H ₂ SiO ₃ );
• По содержанию атомов металлов: металлосодержащие ( HMnO ₄ , H ₂ TiO ₃ ); не металлосодержащие ( HNO ₃ , 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 (В ₄ С и SiC), титана , вольфрама , циркония (TiC, WC и ZrC соответственно) обладают высокой твёрдостью, жаростойкостью, химической инертностью.

Карбиды подразделяются на следующие виды: солеобразные ( CaC ₂ , Al ₄ C ₃ ); ковалентные ( карборунд SiC); металлоподобные (имеющие нестехиометрический состав, например, цементит (Fe ₃ C)).

Нитриды

Нитри́ды — соединения азота с менее электроотрицательными элементами, например, с металлами (AlN;TiN _x ;Na ₃ N;Ca ₃ N ₂ ;Zn ₃ N ₂ ; и т. д.) и с рядом неметаллов ( NH ₃ , BN , Si ₃ N ₄ ). 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 ^{[ источник не указан 1387 дней ]} . Наиболее распространёнными являются бинарные гидриды. Они делятся на три типа в зависимости от характера связи в соединении: ионные (водород и щелочной или щёлочноземельный 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 твёрдом, а также формирование как жидких, так и твёрдых растворов любого состава). В отличие от, например, твёрдых 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 проведённые учёным Н. С. Курнаковым исследования показали, что существуют также и соединения переменного состава, то есть нестехиометрические, и при этом они характеризуются довольно высокой степенью распространённости 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 определённых узлах, либо их избыток в промежутках между узлами. К примеру, явная нестехиометричность характерна для оксида и сульфата железа (II) . Существуют определённые 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.: Издательство 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: Издательство ДВГУПС, 2005. — 84 с. — от 5 декабря 2009 на Wayback Machine
• 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.
• Драго Р. С. Физические методы в неорганической химии. М. : Мир , 1967.

Ссылки

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