Epäorgaaninen kemia on kemian haara, joka liittyy kaikkien kemiallisten alkuaineiden ja niiden epäorgaanisten yhdisteiden rakenteen, reaktiivisuuden ja ominaisuuksien tutkimukseen . Tämä alue kattaa kaikki kemialliset yhdisteet orgaanisia aineita lukuun ottamatta (yhdisteiden luokka, johon sisältyy hiiltä , lukuun ottamatta muutamia yksinkertaisia yhdisteitä, jotka yleensä liittyvät epäorgaanisiin [1] ). Erot hiiltä sisältävien orgaanisten ja epäorgaanisten yhdisteiden välillä ovat joidenkin käsitysten mukaan mielivaltaisia [2] . Epäorgaaninen kemia tutkii kemiallisia alkuaineita ja niiden muodostamia yksinkertaisia ja monimutkaisia aineita (lukuun ottamatta orgaanisia yhdisteitä). Tarjoaa uusimman tekniikan materiaalien luomisen. Vuonna 2013 tunnettujen epäorgaanisten aineiden määrä on lähes 500 tuhatta.
Epäorgaanisen kemian teoreettinen perusta on jaksollinen laki ja siihen perustuva jaksollinen järjestelmä D. I. Mendelejev . Epäorgaanisen kemian tärkein tehtävä on kehittää ja tieteellisesti perustella menetelmiä uusien materiaalien luomiseksi, joilla on nykytekniikan edellyttämät ominaisuudet.
Historiallisesti nimi epäorgaaninen kemia tulee ajatuksesta kemian osasta, joka käsittelee alkuaineiden, yhdisteiden ja aineiden reaktioita, joita elävät olennot eivät muodosta. Kuitenkin sen jälkeen, kun erinomainen saksalainen kemisti Friedrich Wöhler suoritti vuonna 1828 urean synteesin epäorgaanisesta yhdisteestä ammoniumsyanaatista (NH 4 OCN), rajat elottomien ja elävien aineiden välillä ovat hämärtyneet. Siten elävät olennot tuottavat monia epäorgaanisia aineita. Toisaalta lähes kaikki orgaaniset yhdisteet voidaan syntetisoida laboratoriossa. Jako kemian eri osa-alueisiin on kuitenkin olennaista ja tarpeellista, kuten ennenkin, koska epäorgaanisen ja orgaanisen kemian reaktiomekanismit, aineiden rakenne ovat erilaiset. Tämä helpottaa tutkimusmenetelmien ja -menetelmien systematisointia kullakin toimialalla.
Kemiallisten elementtien jaksollinen järjestelmä ( Mendelejevin taulukko ) on kemiallisten alkuaineiden luokitus , joka määrittää alkuaineiden eri ominaisuuksien riippuvuuden atomiytimen varauksesta . Järjestelmä on graafinen ilmaus jaksollisesta laista , jonka venäläinen kemisti D. I. Mendeleev perusti vuonna 1869 . Sen alkuperäisen version kehitti D. I. Mendelejev vuosina 1869-1871 ja vahvisti alkuaineiden ominaisuuksien riippuvuuden niiden atomipainosta (nykyisin termein atomimassasta ). Kaiken kaikkiaan on ehdotettu useita satoja [3] jaksollisen järjestelmän esityksen muunnelmia (analyyttisiä käyriä, taulukoita, geometrisia kuvioita ja niin edelleen). Järjestelmän nykyaikaisessa versiossa elementit on tarkoitus pelkistää kaksiulotteiseksi taulukoksi, jossa jokainen sarake ( ryhmä ) määrittää tärkeimmät fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet ja rivit edustavat jaksoja , jotka ovat keskenään samanlaisia kuin jossain määrin.
Ne koostuvat yhden kemiallisen alkuaineen atomeista (ne ovat sen olemassaolon muoto vapaassa tilassa). Riippuen siitä, mikä kemiallinen sidos atomien välillä on, kaikki epäorgaanisen kemian yksinkertaiset aineet jaetaan kahteen pääryhmään: metallit ja ei-metallit . Ensiksi mainituille on ominaista vastaavasti metallisidos , kun taas jälkimmäiset ovat kovalenttisia . On kuitenkin syytä huomata, että edellä mainituilla yksinkertaisilla aineilla ei ole radikaaleja ja merkittäviä eroja keskenään. Erotetaan myös kaksi vierekkäistä ryhmää - metallin kaltaiset ja ei-metalliset aineet. On olemassa allotropiailmiö , joka koostuu mahdollisuudesta muodostaa useita yksinkertaisia aineita saman alkuaineen atomeista; kutakin näistä tyypeistä kutsutaan allotrooppiseksi modifikaatioksi. Jos tämä ilmiö johtuu erilaisesta molekyylikoostumuksesta, se määritellään koostumuksen allotropiaksi; jos menetelmällä järjestää molekyylit ja atomit kiteisiin, niin muodon allotropiana.
Metallit ( lat. metallum - kaivos, kaivos) - ryhmä elementtejä, joilla on tyypillisiä metallisia ominaisuuksia , kuten korkea lämmön- ja sähkönjohtavuus , positiivinen lämpötilavastuskerroin , korkea sitkeys ja metallinen kiilto. Tällä hetkellä löydetyistä 118 [4] kemiallisesta alkuaineesta (kaikkia ei ole virallisesti tunnustettu) metalleja ovat:
Siten 96 kaikista löydetyistä alkuaineista kuuluu metalleihin.
Metallisen atomisidoksen erityispiirteistä (eli tyydyttymättömyydestä ja suuntautumattomuudesta) johtuen metalleille on ominaista tiheimmät koordinaatiohilat. Niille tyypillisimpiä ovat kuutioiset kasvokeskeiset, kuutiovartalokeskeiset ja kuusikulmainen kidehilat . Lisäksi, johtuen hilan energialäheisyydestä, monet metallit osoittavat polymorfiaa .
Epämetallit ovat kemiallisia elementtejä , joilla on tyypillisesti ei-metallisia ominaisuuksia ja jotka sijaitsevat jaksollisen järjestelmän oikeassa yläkulmassa . Molekyylimuodossa typpi , happi ja rikki esiintyvät luonnossa yksinkertaisina aineina . Epämetallit ovat useammin kemiallisesti sitoutuneessa muodossa: näitä ovat vesi , mineraalit , kivet , erilaiset silikaatit , fosfaatit , boraatit . Epämetallien esiintyvyys maankuoressa eroaa merkittävästi toisistaan. Yleisimmät ovat happi , pii , vety ; harvinaisimpia ovat arseeni , seleeni ja jodi . Epämetallien tyypillinen piirre on suurempi ( metalleihin verrattuna ) elektronien lukumäärä niiden atomien ulkoisella energiatasolla . Tämä määrittää niiden paremman kyvyn lisätä ylimääräisiä elektroneja ja osoittaa korkeampaa oksidatiivista aktiivisuutta kuin metalleilla. Ei-metalleihin kuuluvat myös vety ja helium .
Aineen muodostavien alkuaineiden lukumäärän mukaan binääri-, kolmielementtiyhdisteet jne. eroavat toisistaan.
BinääriyhdisteetBinääriyhdisteet ovat yhdisteitä, jotka koostuvat kahden alkuaineen atomeista. Niiden luokittelu tehdään myös kemiallisen sidoksen tyypin perusteella; emittoivat ionisia , kovalenttisia, metallisia yhdisteitä ja joille on myös tunnusomaista sekatyyppinen sidos. Niiden kemialliset ominaisuudet vaihtelevat tiettyjen alkuaineiden kemiallisen luonteen mukaan: metallisia alkuaineita sisältäville yhdisteille on tunnusomaista emäksiset ominaisuudet, kun taas ei-metallisten alkuaineiden yhdisteillä on happamia ominaisuuksia.
Kolmen alkuaineen yhdisteetKolmielementtiyhdisteet ovat koostumuksensa yksinkertaisimpia yhdisteitä, jotka muodostuvat yleensä kemiallisesti toisistaan merkittävästi poikkeavien binääriyhdisteiden vuorovaikutuksessa. Kemiallisen sidoksen näkökulmasta ne jaetaan ionisiin, kovalenttisiin ja ioni-kovalenttisiin. Anionisten kompleksien stabiilisuus vaihtelee niiden ulkopallon ionien stabiilisuudesta riippuen, mikä puolestaan vaikuttaa yhdisteen ominaisuuksiin ja sen samankaltaisuuden asteeseen binaarisen kanssa.
Jos vuorovaikutuksessa olevat yhdisteet eroavat toisistaan vähän kemiallisesti, seurauksena syntyy erityisiä aineita: sekayhdisteitä, kiinteitä liuoksia ja eutektiikkaa . Ensimmäiset näistä ovat polymeerejä , jotka ovat yhtä alttiiden kompleksien muodostumiselle (esimerkiksi alumiinioksidin ja magnesiumoksidin ) alkuaineiden yhdisteiden vuorovaikutuksen tuotetta, toiset muodostuvat, jos sähköpositiiviset elementit voivat muodostaa samanlaisia rakenneyksiköitä (että on, niillä ei ole perustavanlaatuisia eroja rakenteen, koon ja stabiilisuuden osissa), ja kolmas on seurausta sellaisten alkuaineiden yhdisteiden vuorovaikutuksesta, jotka ovat kemiallisesti lähellä toisiaan, mutta eroavat atomien rakenteesta tai koosta. . Jälkimmäisessä tapauksessa kemiallista vuorovaikutusta ei tarkalleen ottaen tapahdu ollenkaan - syntyy mekaaninen kiteiden konglomeraatti.
Suurin osa monimutkaisista epäorgaanisista aineista (eli jotka koostuvat kahdesta tai useammasta kemiallisesta alkuaineesta) voidaan jakaa seuraaviin ryhmiin:
Oksidi ( oksidi , oksidi ) on kemiallisen alkuaineen binäärinen yhdiste, jonka happi on -2 hapetustilassa, jossa happi itse liittyy vain vähemmän elektronegatiiviseen alkuaineeseen. Kemiallinen alkuaine happi on elektronegatiivisuudessa toinen fluorin jälkeen , joten melkein kaikki kemiallisten alkuaineiden yhdisteet hapen kanssa kuuluvat oksideihin. Poikkeuksia ovat esimerkiksi happidifluoridi OF 2 . Oksidit ovat hyvin yleinen yhdistetyyppi, jota löytyy maankuoresta ja universumista yleensä. Esimerkkejä tällaisista yhdisteistä ovat ruoste , vesi , hiekka , hiilidioksidi ja monet väriaineet. Oksidit ovat mineraalien luokka , jotka ovat metalliyhdisteitä hapen kanssa.
Kemiallisista ominaisuuksista riippuen on:
Suolat ovat luokka kemiallisia yhdisteitä, jotka sisältävät aineita, jotka koostuvat metallikationeista ( tai ammoniumkationeista ; fosfonium- tai hydroksoniumsuolat tunnetaan ) ja happotähteen anioneista . Suolatyypit:
Erityisen ryhmän muodostavat orgaanisten happojen suolat, joiden ominaisuudet eroavat merkittävästi mineraalisuolojen ominaisuuksista. Jotkut niistä voidaan katsoa kuuluvan erityiseen orgaanisten suolojen luokkaan, niin kutsuttuihin ionisiin nesteisiin tai toisin sanoen "nestemäisiin suoloihin", orgaanisiin suoloihin, joiden sulamispiste on alle 100 °C.
PerusteetEmäkset ovat kemiallisten yhdisteiden luokka:
Hapot ovat monimutkaisia aineita , jotka sisältävät yleensä vetyatomeja , jotka voidaan korvata metalliatomeilla , ja happojäännöksen . Happojen vesiliuoksilla on hapan maku, niillä on ärsyttävä vaikutus, ne voivat muuttaa indikaattoreiden väriä ja eroavat useista yleisistä kemiallisista ominaisuuksista.
Lewis-happoihin ja Bronsted-happoihin jaottelun lisäksi viimeksi mainitut luokitellaan yleensä erilaisten muodollisten kriteerien mukaan:
Myös seuraavat epäorgaanisten aineiden ryhmät voidaan erottaa: karbidit , nitridit , hydridit , metallien väliset yhdisteet ja muut, jotka eivät sovi yllä olevaan luokitukseen (katso lisätietoja kohdasta Epäorgaaniset aineet ).
KarbiditKarbidit ovat metallien ja ei-metallien yhdisteitä hiilen kanssa . Perinteisesti karbideihin kuuluvat yhdisteet, joissa hiilellä on suurempi elektronegatiivisuus kuin toisella alkuaineella (siten hiiliyhdisteet, kuten oksidit, halogenidit ja vastaavat, jätetään karbidien ulkopuolelle). Karbidit ovat tulenkestäviä kiinteitä aineita: boorin ja piin (B 4 C ja SiC), titaanin , volframin , zirkoniumin (TiC, WC ja ZrC) karbidilla on korkea kovuus, lämmönkestävyys ja kemiallinen inertisyys.
Karbidit jaetaan seuraaviin tyyppeihin: suolan kaltaiset ( CaC 2 , Al 4 C 3 ); kovalenttinen ( carborundum SiC); metallimainen (jolla on ei-stoikiometrinen koostumus, esimerkiksi sementiitti (Fe 3 C)).
NitriditNitridit ovat typpiyhdisteitä , joissa on vähemmän elektronegatiivisia alkuaineita, esimerkiksi metallien (AlN; TiN x ; Na 3 N; Ca 3 N 2 ; Zn 3 N 2 jne.) ja useiden epämetallien ( NH 3 , BN ) kanssa. , Si 3N4 ) . _ Typpiyhdisteet metallien kanssa ovat useimmiten tulenkestäviä ja stabiileja korkeissa lämpötiloissa, kuten elbor . Nitridipinnoitteet antavat tuotteille kovuuden, korroosionkestävyyden; käytetään energia- ja avaruusteknologiassa.
HydriditHydridit ovat vedyn yhdisteitä metallien ja epämetallien kanssa , joiden elektronegatiivisuus on pienempi kuin vedyn . Joskus hydridit sisältävät yhdisteitä kaikista alkuaineista vedyn kanssa . Yleisimmät ovat binääriset hydridit. Ne jaetaan kolmeen tyyppiin yhdisteessä olevan sidoksen luonteen mukaan: ioninen (vety- ja alkali- tai maa-alkalimetalli), metallinen (siirtymämetalli tai harvinaisten maametallien hydridit) ja kovalenttinen (molekyyli) (ei-metallihydridit tai Al, Be, Sn, Sb, As , Te, Ge) [6] .
IntermetallicsMetalliyhdisteet tai metallien väliset yhdisteet ovat yksi neljästä metallien välisen vuorovaikutuksen perusvaihtoehdosta (muut kolme ovat vaikutuksen täydellinen puuttuminen, vastavuoroinen liukeneminen nestemäisessä tilassa ja eutektiikan muodostuminen kiinteässä tilassa sekä minkä tahansa koostumuksen mukaisten sekä nestemäisten että kiinteiden liuosten muodostuminen). Toisin kuin esimerkiksi kiinteillä liuoksilla, metallien välisille yhdisteille on ominaista monimutkainen kiderakenne, toisin kuin alkuperäisten aineiden rakenne; samoin ne voivat kehittää fysikaalisia tai kemiallisia ominaisuuksia, joita ei löydy niiden puhtaista ainesosista. Yleisesti metallienvälisille yhdisteille on tunnusomaista monenlaiset kiderakenteet ja kemialliset sidostyypit, mikä puolestaan on syynä niiden mahdollisten fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien laajaan valikoimaan.
Intermetallisilla aineilla, kuten muillakin kemiallisilla yhdisteillä, on kiinteä suhde komponenttien välillä. Metallienvälisillä yhdisteillä on yleensä korkea kovuus ja korkea kemiallinen kestävyys. Hyvin usein metallien välisillä yhdisteillä on korkeampi sulamispiste kuin perusmetalleilla. Melkein kaikki metallien väliset yhdisteet ovat hauraita, koska hilan atomien välinen sidos muuttuu kovalenttiseksi tai ioniseksi (esimerkiksi cesiumauridissa CsAu) metallisen sijasta. Joillakin niistä on puolijohdeominaisuuksia , ja mitä lähempänä elementtien suhdetta on stoikiometriaa, sitä suurempi on sähkövastus. Titaaninikkelidillä, joka tunnetaan tuotenimellä " nitinol ", on muotomuisti - kovettumisen jälkeen tuote voi muuttua mekaanisesti, mutta se saa alkuperäisen muotonsa pienellä lämmityksellä.
1900-luvun alkuun asti tiettyjen aineiden koostumuksen pysyvyyttä koskevaa kantaa, joka ilmaistiin ja muotoiltiin ensin vuosisata aiemmin, pidettiin aksiomaattisena. Kyseistä väitettä kutsuttiin samalla tavalla koostumuksen pysyvyyden laiksi ja aineiden vastaavaa ominaisuutta stoikiometriaksi. Myöhemmin tutkijan N. S. Kurnakovin tekemät tutkimukset osoittivat, että on myös yhdisteitä, joilla on vaihteleva koostumus, eli ei-stoikiometrisiä, ja samalla niille on ominaista melko korkea esiintyvyys luonnossa. N. S. Kurnakov ehdotti myös yhdisteiden, joiden koostumus on vakio , kutsumista daltonideiksi ja muuttuvaksi berthollidiksi .
Jossain määrin vaihteleva koostumus on ominaista niille aineille, joissa havaitaan joko atomi- tai ionirakenne. Tällöin kiteessä voi ilmetä erilaisia vikoja - joko atomien puute tietyissä kohdissa tai niiden ylimäärä paikkojen välisissä rakoissa. Esimerkiksi rautaoksidin ja sulfaatin (II) selkeä ei-stoikiometrinen ominaisuus . On olemassa tiettyjä rajoja, joiden sisällä poikkeamia stökiömetrisestä koostumuksesta pidetään hyväksyttävinä; vastaavaa aluetta kutsutaan homogeenisuusalueeksi. Molekyylirakenteen omaavilla aineilla puolestaan on vakio koostumus; on kuitenkin huomattava, että jopa 95 %:lla epäorgaanisista aineista ei ole tällaista rakennetta ja siksi ne ovat ei-stoikiometrisiä. Koostumuksen pysyvyyttä koskevien käsitysten pitkäaikainen vallitsevuus selittyy sillä, että muutokset eivät usein ole riittävän merkittäviä niiden havaitsemiseksi kemiallisen analyysin aikana .
![]() | ||||
---|---|---|---|---|
|