Η ανόργανη χημεία είναι μέρος της γενικής χημείας. Ασχολείται με τη μελέτη των ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς των ανόργανων ενώσεων - τη δομή και την ικανότητά τους να αντιδρούν με άλλες ουσίες. Αυτή η κατεύθυνση διερευνά όλες τις ουσίες, με εξαίρεση αυτές που είναι κατασκευασμένες από αλυσίδες άνθρακα (οι τελευταίες αποτελούν αντικείμενο μελέτης της οργανικής χημείας).
Περιγραφή
Η χημεία είναι μια πολύπλοκη επιστήμη. Ο διαχωρισμός του σε κατηγορίες είναι καθαρά αυθαίρετος. Για παράδειγμα, η ανόργανη και η οργανική χημεία συνδέονται με ενώσεις που ονομάζονται βιοοργανικές. Αυτά περιλαμβάνουν αιμοσφαιρίνη, χλωροφύλλη, βιταμίνη Β12 και πολλά ένζυμα.
Πολύ συχνά, όταν κάποιος μελετά ουσίες ή διαδικασίες, πρέπει να λάβει υπόψη του διάφορες σχέσεις με άλλες επιστήμες. Η γενική και η ανόργανη χημεία καλύπτει απλές και πολύπλοκες ουσίες, ο αριθμός των οποίων πλησιάζει τις 400.000. Η μελέτη των ιδιοτήτων τους συχνά περιλαμβάνει ένα ευρύ φάσμα μεθόδων φυσικής χημείας, καθώς μπορούν να συνδυάσουν ιδιότητες χαρακτηριστικές μιας επιστήμης όπως π.χ.η φυσικη. Η ποιότητα των ουσιών επηρεάζεται από την αγωγιμότητα, τη μαγνητική και οπτική δραστηριότητα, την επίδραση των καταλυτών και άλλους «φυσικούς» παράγοντες.
Γενικά, οι ανόργανες ενώσεις ταξινομούνται ανάλογα με τη λειτουργία τους:
- οξέα;
- γήπεδα;
- οξείδια;
- αλάτι.
Τα οξείδια συχνά χωρίζονται σε μέταλλα (βασικά οξείδια ή βασικοί ανυδρίτες) και οξείδια μη μετάλλων (όξινα οξείδια ή ανυδρίτες οξέων).
Προέλευση
Η ιστορία της ανόργανης χημείας χωρίζεται σε διάφορες περιόδους. Στο αρχικό στάδιο, η γνώση συσσωρεύτηκε μέσω τυχαίων παρατηρήσεων. Από την αρχαιότητα, έχουν γίνει προσπάθειες μετατροπής των βασικών μετάλλων σε πολύτιμα. Η αλχημική ιδέα προωθήθηκε από τον Αριστοτέλη μέσω του δόγματος του για τη μετατρεψιμότητα των στοιχείων.
Στο πρώτο μισό του δέκατου πέμπτου αιώνα, οι επιδημίες μαίνονταν. Ιδιαίτερα ο πληθυσμός υπέφερε από ευλογιά και πανώλη. Ο Ασκληπιός υπέθεσε ότι οι ασθένειες προκαλούνται από ορισμένες ουσίες και η καταπολέμηση τους πρέπει να γίνεται με τη βοήθεια άλλων ουσιών. Αυτό οδήγησε στην έναρξη της λεγόμενης ιατροχημικής περιόδου. Εκείνη την εποχή, η χημεία έγινε ανεξάρτητη επιστήμη.
Η εμφάνιση μιας νέας επιστήμης
Κατά τη διάρκεια της Αναγέννησης, η χημεία από ένα καθαρά πρακτικό πεδίο σπουδών άρχισε να «αποκτά» θεωρητικές έννοιες. Οι επιστήμονες προσπάθησαν να εξηγήσουν τις υποκείμενες διεργασίες που συμβαίνουν με τις ουσίες. Το 1661, ο Robert Boyle εισάγει την έννοια του «χημικού στοιχείου». Το 1675 ο Nicholas Lemmer διαχωρίζει τα χημικά στοιχείαορυκτά από φυτά και ζώα, ορίζοντας έτσι τη μελέτη της χημείας των ανόργανων ενώσεων χωριστά από τις οργανικές.
Αργότερα, οι χημικοί προσπάθησαν να εξηγήσουν το φαινόμενο της καύσης. Ο Γερμανός επιστήμονας Georg Stahl δημιούργησε τη θεωρία των φλογιστονίων, σύμφωνα με την οποία ένα εύφλεκτο σώμα απορρίπτει ένα μη βαρυτικό σωματίδιο φλογιστόνης. Το 1756, ο Mikhail Lomonosov απέδειξε πειραματικά ότι η καύση ορισμένων μετάλλων σχετίζεται με σωματίδια αέρα (οξυγόνο). Ο Antoine Lavoisier διέψευσε επίσης τη θεωρία των φλογιστονίων, καθιστώντας τον ιδρυτή της σύγχρονης θεωρίας της καύσης. Εισήγαγε επίσης την έννοια της "ένωσης χημικών στοιχείων".
Ανάπτυξη
Η επόμενη περίοδος ξεκινά με το έργο του John D alton και επιχειρεί να εξηγήσει τους χημικούς νόμους μέσω της αλληλεπίδρασης ουσιών σε ατομικό (μικροσκοπικό) επίπεδο. Το πρώτο χημικό συνέδριο στην Καρλσρούη το 1860 όρισε τις έννοιες του ατόμου, του σθένους, του ισοδύναμου και του μορίου. Χάρη στην ανακάλυψη του περιοδικού νόμου και τη δημιουργία του περιοδικού συστήματος, ο Ντμίτρι Μεντελέεφ απέδειξε ότι η ατομική-μοριακή θεωρία συνδέεται όχι μόνο με τους χημικούς νόμους, αλλά και με τις φυσικές ιδιότητες των στοιχείων.
Το επόμενο στάδιο στην ανάπτυξη της ανόργανης χημείας σχετίζεται με την ανακάλυψη της ραδιενεργής διάσπασης το 1876 και την αποσαφήνιση του σχεδιασμού του ατόμου το 1913. Μια μελέτη των Albrecht Kessel και Gilbert Lewis το 1916 λύνει το πρόβλημα της φύσης των χημικών δεσμών. Με βάση τη θεωρία της ετερογενούς ισορροπίας των Willard Gibbs και Henrik Roszeb, το 1913 ο Nikolai Kurnakov δημιούργησε μια από τις κύριες μεθόδους της σύγχρονης ανόργανης χημείας -φυσική και χημική ανάλυση.
Βασικές αρχές της ανόργανης χημείας
Οι ανόργανες ενώσεις απαντώνται φυσικά με τη μορφή ορυκτών. Το έδαφος μπορεί να περιέχει θειούχο σίδηρο όπως πυρίτη ή θειικό ασβέστιο με τη μορφή γύψου. Οι ανόργανες ενώσεις εμφανίζονται και ως βιομόρια. Συντίθενται για χρήση ως καταλύτες ή αντιδραστήρια. Η πρώτη σημαντική τεχνητή ανόργανη ένωση είναι το νιτρικό αμμώνιο, που χρησιμοποιείται για τη λίπανση του εδάφους.
Αλάτια
Πολλές ανόργανες ενώσεις είναι ιοντικές ενώσεις που αποτελούνται από κατιόντα και ανιόντα. Πρόκειται για τα λεγόμενα άλατα, τα οποία αποτελούν αντικείμενο έρευνας στην ανόργανη χημεία. Παραδείγματα ιοντικών ενώσεων είναι:
- χλωριούχο μαγνήσιο (MgCl2), το οποίο περιέχει Mg2+ κατιόντα και Cl- ανιόντα.
- Οξείδιο του νατρίου (Na2O), το οποίο αποτελείται από κατιόντα Na+ και ανιόντα O2- .
Σε κάθε άλας, οι αναλογίες των ιόντων είναι τέτοιες ώστε τα ηλεκτρικά φορτία να βρίσκονται σε ισορροπία, δηλαδή η ένωση ως σύνολο είναι ηλεκτρικά ουδέτερη. Τα ιόντα περιγράφονται από την κατάσταση οξείδωσής τους και την ευκολία σχηματισμού που προκύπτει από το δυναμικό ιονισμού (κατιόντα) ή τη συγγένεια ηλεκτρονίων (ανιόντα) των στοιχείων από τα οποία σχηματίζονται.
Τα ανόργανα άλατα περιλαμβάνουν οξείδια, ανθρακικά, θειικά και αλογονίδια. Πολλές ενώσεις χαρακτηρίζονται από υψηλά σημεία τήξης. Τα ανόργανα άλατα είναι συνήθως στερεοί κρυσταλλικοί σχηματισμοί. Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό τους είναιδιαλυτότητα στο νερό και ευκολία κρυστάλλωσης. Ορισμένα άλατα (π.χ. NaCl) είναι πολύ διαλυτά στο νερό, ενώ άλλα (π.χ. SiO2) είναι σχεδόν αδιάλυτα.
Μέταλλα και κράματα
Μέταλλα όπως ο σίδηρος, ο χαλκός, ο μπρούντζος, ο ορείχαλκος, το αλουμίνιο είναι μια ομάδα χημικών στοιχείων στο κάτω αριστερό μέρος του περιοδικού πίνακα. Αυτή η ομάδα περιλαμβάνει 96 στοιχεία που χαρακτηρίζονται από υψηλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα. Χρησιμοποιούνται ευρέως στη μεταλλουργία. Τα μέταλλα μπορούν να χωριστούν υπό όρους σε σιδηρούχα και μη σιδηρούχα, βαριά και ελαφριά. Παρεμπιπτόντως, το πιο χρησιμοποιούμενο στοιχείο είναι ο σίδηρος, καταλαμβάνει το 95% της παγκόσμιας παραγωγής μεταξύ όλων των τύπων μετάλλων.
Τα κράματα είναι σύνθετες ουσίες που λαμβάνονται με τήξη και ανάμειξη δύο ή περισσότερων μετάλλων σε υγρή κατάσταση. Αποτελούνται από βάση (κυρίαρχα στοιχεία σε ποσοστιαίες τιμές: σίδηρος, χαλκός, αλουμίνιο κ.λπ.) με μικρές προσθήκες κραματοποιητικών και τροποποιητικών στοιχείων.
Η ανθρωπότητα χρησιμοποιεί περίπου 5000 τύπους κραμάτων. Είναι τα κύρια υλικά στις κατασκευές και τη βιομηχανία. Παρεμπιπτόντως, υπάρχουν και κράματα μεταξύ μετάλλων και μη μετάλλων.
Ταξινόμηση
Στον πίνακα της ανόργανης χημείας, τα μέταλλα χωρίζονται σε διάφορες ομάδες:
- 6 στοιχεία ανήκουν στην αλκαλική ομάδα (λίθιο, κάλιο, ρουβίδιο, νάτριο, φράγκιο, καίσιο);
- 4 - σε αλκαλική γη (ράδιο, βάριο, στρόντιο, ασβέστιο);
- 40 - σε μετάβαση (τιτάνιο, χρυσός, βολφράμιο, χαλκός, μαγγάνιο,σκάνδιο, σίδηρος, κ.λπ.);
- 15 – λανθανίδες (λανθάνιο, δημήτριο, έρβιο κ.λπ.);
- 15 – ακτινίδες (ουράνιο, ακτίνιο, θόριο, φερίμιο, κ.λπ.);
- 7 – ημιμέταλλα (αρσενικό, βόριο, αντιμόνιο, γερμάνιο, κ.λπ.);
- 7 - ελαφρά μέταλλα (αλουμίνιο, κασσίτερος, βισμούθιο, μόλυβδος, κ.λπ.).
Μη μέταλλα
Τα μη μέταλλα μπορεί να είναι τόσο χημικά στοιχεία όσο και χημικές ενώσεις. Στην ελεύθερη κατάσταση σχηματίζουν απλές ουσίες με μη μεταλλικές ιδιότητες. Στην ανόργανη χημεία διακρίνονται 22 στοιχεία. Αυτά είναι υδρογόνο, βόριο, άνθρακας, άζωτο, οξυγόνο, φθόριο, πυρίτιο, φώσφορος, θείο, χλώριο, αρσενικό, σελήνιο κ.λπ.
Τα πιο τυπικά αμέταλλα είναι τα αλογόνα. Σε αντίδραση με μέταλλα, σχηματίζουν ενώσεις των οποίων ο δεσμός είναι κυρίως ιοντικός, όπως KCl ή CaO. Όταν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, τα μη μέταλλα μπορούν να σχηματίσουν ομοιοπολικά συνδεδεμένες ενώσεις (Cl3N, ClF, CS2, κ.λπ.).
Βάσεις και οξέα
Οι βάσεις είναι σύνθετες ουσίες, οι σημαντικότερες από τις οποίες είναι τα υδατοδιαλυτά υδροξείδια. Όταν διαλύονται, διασπώνται με μεταλλικά κατιόντα και ανιόντα υδροξειδίου και το pH τους είναι μεγαλύτερο από 7. Οι βάσεις μπορούν να θεωρηθούν χημικά αντίθετες από τα οξέα, επειδή τα οξέα που διαχωρίζουν το νερό αυξάνουν τη συγκέντρωση των ιόντων υδρογόνου (H3O+) μέχρι να μειωθεί η βάση.
Τα οξέα είναι ουσίες που συμμετέχουν σε χημικές αντιδράσεις με βάσεις, παίρνοντας ηλεκτρόνια από αυτές. Τα περισσότερα οξέα πρακτικής σημασίας είναι υδατοδιαλυτά. Όταν διαλύονται, διασπώνται από κατιόντα υδρογόνου(Н+) και όξινα ανιόντα, και το pH τους είναι μικρότερο από 7.
