Epäorgaaninen kemia on osa yleistä kemiaa. Se tutkii epäorgaanisten yhdisteiden ominaisuuksia ja käyttäytymistä - niiden rakennetta ja kykyä reagoida muiden aineiden kanssa. Tämä suunta tutkii kaikkia aineita, lukuun ottamatta niitä, jotka on rakennettu hiiliketjuista (jälkimmäiset ovat orgaanisen kemian tutkimuksen kohteena).
Kuvaus
Kemia on monimutkainen tiede. Sen jako luokkiin on täysin mieliv altaista. Esimerkiksi epäorgaanisen ja orgaanisen kemian yhdistävät yhdisteet, joita kutsutaan bioepäorgaanisiksi. Näitä ovat hemoglobiini, klorofylli, B-vitamiini12 ja monet entsyymit.
Hyvin usein aineita tai prosesseja tutkittaessa on otettava huomioon erilaiset suhteet muihin tieteisiin. Yleinen ja epäorgaaninen kemia kattaa yksinkertaiset ja monimutkaiset aineet, joiden lukumäärä lähestyy 400 000. Niiden ominaisuuksien tutkimiseen liittyy usein monenlaisia fysikaalisen kemian menetelmiä, koska niissä voidaan yhdistää tieteelle ominaisia ominaisuuksia, kuten esim.fysiikka. Aineiden laatuun vaikuttavat johtavuus, magneettinen ja optinen aktiivisuus, katalyyttien vaikutus ja muut "fysikaaliset" tekijät.
Yleensä epäorgaaniset yhdisteet luokitellaan funktionsa mukaan:
- hapot;
- perusteet;
- oksidit;
- suola.
Oksidit jaetaan usein metalleihin (emäksiset oksidit tai emäksiset anhydridit) ja ei-metallioksideihin (happamat oksidit tai happoanhydridit).
Alkuperä
Epäorgaanisen kemian historia jakautuu useisiin ajanjaksoihin. Alkuvaiheessa tietoa kerättiin satunnaisten havaintojen avulla. Muinaisista ajoista lähtien perusmetalleja on yritetty muuttaa jalometalliksi. Aristoteles edisti alkemista ideaa elementtien muunnettavuutta koskevan oppinsa kautta.
1500-luvun ensimmäisellä puoliskolla epidemiat riehuivat. Varsinkin väestö kärsi isorokosta ja rutosta. Aesculapius oletti, että sairaudet johtuvat tietyistä aineista, ja niitä vastaan tulisi taistella muiden aineiden avulla. Tämä johti niin kutsutun lääketieteellisen kemiallisen ajanjakson alkuun. Tuolloin kemiasta tuli itsenäinen tiede.
Uuden tieteen syntyminen
Renessanssin aikana puhtaasti käytännön opiskelualan kemia alkoi "hankkia" teoreettisia käsitteitä. Tutkijat yrittivät selittää aineiden taustalla olevia prosesseja. Vuonna 1661 Robert Boyle esitteli käsitteen "kemiallinen alkuaine". Vuonna 1675 Nicholas Lemmer erottaa kemialliset alkuaineetkasveista ja eläimistä peräisin olevia mineraaleja, mikä edellyttää epäorgaanisten yhdisteiden kemian tutkimista erillään orgaanisista.
Myöhemmin kemistit yrittivät selittää palamisilmiön. Saksalainen tiedemies Georg Stahl loi flogistoniteorian, jonka mukaan palava kappale hylkää ei-gravitaatiopartikkelin flogistonin. Vuonna 1756 Mihail Lomonosov osoitti kokeellisesti, että tiettyjen metallien palaminen liittyy ilmahiukkasiin (happi). Antoine Lavoisier kiisti myös flogistonien teorian ja hänestä tuli modernin palamisteorian perustaja. Hän esitteli myös käsitteen "kemiallisten alkuaineiden yhdiste".
Kehitys
Seuraava jakso alkaa John D altonin työllä ja yrittää selittää kemiallisia lakeja atomien (mikroskooppisen) tason vuorovaikutuksen kautta. Ensimmäinen kemian kongressi Karlsruhessa vuonna 1860 määritteli atomin, valenssin, ekvivalentin ja molekyylin käsitteet. Periodisen lain löytämisen ja jaksollisen järjestelmän luomisen ansiosta Dmitri Mendelejev osoitti, että atomi-molekyyliteoria ei liity pelkästään kemiallisiin lakeihin, vaan myös alkuaineiden fysikaalisiin ominaisuuksiin.
Seuraava vaihe epäorgaanisen kemian kehityksessä liittyy radioaktiivisen hajoamisen löytämiseen vuonna 1876 ja atomin rakenteen selvittämiseen vuonna 1913. Albrecht Kesselin ja Gilbert Lewisin vuonna 1916 tekemä tutkimus ratkaisee kemiallisten sidosten luonteen ongelman. Willard Gibbsin ja Henrik Roszebin heterogeenisen tasapainon teorian pohj alta Nikolai Kurnakov loi vuonna 1913 yhden modernin epäorgaanisen kemian päämenetelmistä -fysikaalinen ja kemiallinen analyysi.
Epäorgaanisen kemian perusteet
Epäorgaanisia yhdisteitä esiintyy luonnossa mineraalien muodossa. Maaperä voi sisältää rautasulfidia, kuten rikkikiisua tai kalsiumsulfaattia kipsin muodossa. Epäorgaaniset yhdisteet esiintyvät myös biomolekyyleina. Ne syntetisoidaan käytettäviksi katalyytteinä tai reagensseina. Ensimmäinen tärkeä keinotekoinen epäorgaaninen yhdiste on ammoniumnitraatti, jota käytetään maan lannoittamiseen.
Suolat
Monet epäorgaaniset yhdisteet ovat ionisia yhdisteitä, jotka koostuvat kationeista ja anioneista. Nämä ovat niin sanottuja suoloja, jotka ovat epäorgaanisen kemian tutkimuksen kohteena. Esimerkkejä ionisista yhdisteistä ovat:
- Magnesiumkloridi (MgCl2), joka sisältää Mg2+ kationeja ja Cl- anioneja.
- Natriumoksidi (Na2O), joka koostuu kationeista Na+ ja anioneista O2- .
Jokaisessa suolassa ionien suhteet ovat sellaiset, että sähkövaraukset ovat tasapainossa, eli yhdiste kokonaisuudessaan on sähköisesti neutraali. Ioneja kuvaa niiden hapetusaste ja muodostumisen helppous, joka seuraa niiden alkuaineiden ionisaatiopotentiaalista (kationit) tai elektroniaffiniteetista (anionit), joista ne muodostuvat.
Epäorgaanisia suoloja ovat oksidit, karbonaatit, sulfaatit ja halogenidit. Monille yhdisteille on tunnusomaista korkeat sulamispisteet. Epäorgaaniset suolat ovat yleensä kiinteitä kiteisiä muodostumia. Toinen tärkeä ominaisuus on niidenvesiliukoisuus ja kiteytymisen helppous. Jotkut suolat (esim. NaCl) ovat hyvin vesiliukoisia, kun taas toiset (esim. SiO2) ovat lähes liukenemattomia.
Metallit ja lejeeringit
Metallit, kuten rauta, kupari, pronssi, messinki ja alumiini, ovat ryhmä kemiallisia alkuaineita jaksollisen järjestelmän vasemmassa alakulmassa. Tämä ryhmä sisältää 96 elementtiä, joille on ominaista korkea lämmön- ja sähkönjohtavuus. Niitä käytetään laaj alti metallurgiassa. Metallit voidaan ehdollisesti jakaa rauta- ja ei-rautapitoisiin, raskaisiin ja kevyisiin. Muuten, eniten käytetty alkuaine on rauta, se vie 95 % maailman tuotannosta kaikentyyppisten metallien joukossa.
Seokset ovat monimutkaisia aineita, joita saadaan sulattamalla ja sekoittamalla kahta tai useampaa metallia nestemäisessä tilassa. Ne koostuvat pohjasta (prosentteina ilmaistuna hallitsevat elementit: rauta, kupari, alumiini jne.), joihin on lisätty pieniä seostus- ja modifioivia komponentteja.
Ihmiskunta käyttää noin 5000 metalliseostyyppiä. Ne ovat rakentamisen ja teollisuuden päämateriaaleja. Muuten, metallien ja ei-metallien välillä on myös seoksia.
Luokittelu
Epäorgaanisen kemian taulukossa metallit on jaettu useisiin ryhmiin:
- 6 alkuainetta on alkalisessa ryhmässä (litium, kalium, rubidium, natrium, francium, cesium);
- 4 - maa-alkalimetallissa (radium, barium, strontium, kalsium);
- 40 - siirtymävaiheessa (titaani, kulta, volframi, kupari, mangaani,skandium, rauta jne.);
- 15 – lantanidit (lantaani, cerium, erbium jne.);
- 15 – aktinidit (uraani, aktinium, torium, fermium jne.);
- 7 – puolimetallit (arseeni, boori, antimoni, germanium jne.);
- 7 - kevytmetallit (alumiini, tina, vismutti, lyijy jne.).
Epämetallit
Epämetallit voivat olla sekä kemiallisia alkuaineita että kemiallisia yhdisteitä. Vapaassa tilassa ne muodostavat yksinkertaisia aineita, joilla on ei-metallisia ominaisuuksia. Epäorgaanisessa kemiassa erotetaan 22 alkuainetta. Näitä ovat vety, boori, hiili, typpi, happi, fluori, pii, fosfori, rikki, kloori, arseeni, seleeni jne.
Yleisimmät epämetallit ovat halogeenit. Reaktiossa metallien kanssa ne muodostavat yhdisteitä, joiden sidos on pääosin ioninen, kuten KCl tai CaO. Vuorovaikutuksessa keskenään epämetallit voivat muodostaa kovalenttisesti sitoutuneita yhdisteitä (Cl3N, ClF, CS2 jne.).
Emäkset ja hapot
Emäkset ovat monimutkaisia aineita, joista tärkeimpiä ovat vesiliukoiset hydroksidit. Liuotettuna ne dissosioituvat metallikationien ja hydroksidianionien kanssa ja niiden pH on suurempi kuin 7. Emäksiä voidaan pitää kemiallisesti happojen vastaisina, koska vettä dissosioituvat hapot lisäävät vetyionien (H3O+) pitoisuutta, kunnes emäs pelkistyy.
Hapot ovat aineita, jotka osallistuvat kemiallisiin reaktioihin emästen kanssa ja ottavat niistä elektroneja. Useimmat käytännön tärkeät hapot ovat vesiliukoisia. Liuotettuna ne dissosioituvat vetykationeista(Н+) ja happamia anioneja, ja niiden pH on alle 7.
