Neorganiskā ķīmija ir daļa no vispārējās ķīmijas. Tas nodarbojas ar neorganisko savienojumu īpašību un uzvedības izpēti – to uzbūvi un spēju reaģēt ar citām vielām. Šajā virzienā tiek pētītas visas vielas, izņemot tās, kas veidotas no oglekļa ķēdēm (pēdējās ir organiskās ķīmijas izpētes priekšmets).
Apraksts
Ķīmija ir sarežģīta zinātne. Tās iedalījums kategorijās ir tīri patvaļīgs. Piemēram, neorganisko un organisko ķīmiju saista savienojumi, ko sauc par bioneorganiskiem. Tajos ietilpst hemoglobīns, hlorofils, B vitamīns12 un daudzi fermenti.
Ļoti bieži, pētot vielas vai procesus, ir jāņem vērā dažādas attiecības ar citām zinātnēm. Vispārējā un neorganiskā ķīmija aptver vienkāršas un sarežģītas vielas, kuru skaits tuvojas 400 000. To īpašību izpēte bieži vien ietver plašu fizikālās ķīmijas metožu klāstu, jo tās var apvienot tādas zinātnei raksturīgās īpašības kā, piemēram,fizika. Vielu kvalitāti ietekmē vadītspēja, magnētiskā un optiskā aktivitāte, katalizatoru ietekme un citi "fiziski" faktori.
Parasti neorganiskos savienojumus klasificē pēc to funkcijām:
- skābes;
- laukums;
- oksīdi;
- sāls.
Oksīdus bieži iedala metālos (bāziskos oksīdos vai bāziskos anhidrīdos) un nemetālu oksīdos (skābos oksīdos vai skābes anhidrīdos).
Izcelsme
Neorganiskās ķīmijas vēsture ir sadalīta vairākos periodos. Sākotnējā posmā zināšanas tika uzkrātas, veicot nejaušus novērojumus. Kopš seniem laikiem parastos metālus ir mēģināts pārveidot par dārgmetāliem. Alķīmisko ideju popularizēja Aristotelis ar savu doktrīnu par elementu konvertējamību.
Piecpadsmitā gadsimta pirmajā pusē plosījās epidēmijas. Īpaši iedzīvotāji cieta no bakām un mēra. Eskulapijs pieļāva, ka slimības izraisa noteiktas vielas, un cīņa pret tām ir jāveic ar citu vielu palīdzību. Tas noveda pie tā sauktā medicīniski ķīmiskā perioda sākuma. Tajā laikā ķīmija kļuva par neatkarīgu zinātni.
Jaunas zinātnes rašanās
Renesanses laikā ķīmija no tīri praktiskā studiju virziena sāka "apgūt" teorētiskos jēdzienus. Zinātnieki mēģināja izskaidrot pamatā esošos procesus, kas notiek ar vielām. 1661. gadā Roberts Boils ievieš jēdzienu "ķīmiskais elements". 1675. gadā Nikolass Lemmers atdala ķīmiskos elementusminerālvielas no augiem un dzīvniekiem, tādējādi paredzot neorganisko savienojumu ķīmijas izpēti atsevišķi no organiskajiem.
Vēlāk ķīmiķi mēģināja izskaidrot degšanas fenomenu. Vācu zinātnieks Georgs Štāls izveidoja flogistonu teoriju, saskaņā ar kuru degošs ķermenis noraida flogistona daļiņu, kas nav gravitācijas spēks. 1756. gadā Mihails Lomonosovs eksperimentāli pierādīja, ka noteiktu metālu sadegšana ir saistīta ar gaisa (skābekļa) daļiņām. Antuāns Lavuazjē arī atspēkoja flogistonu teoriju, kļūstot par mūsdienu sadegšanas teorijas pamatlicēju. Viņš arī ieviesa jēdzienu "ķīmisko elementu savienojums".
Attīstība
Nākamais periods sākas ar Džona D altona darbu un mēģinājumiem izskaidrot ķīmiskos likumus caur vielu mijiedarbību atomu (mikroskopiskā) līmenī. Pirmajā ķīmiskajā kongresā Karlsrūē 1860. gadā tika definēti jēdzieni atoms, valence, ekvivalents un molekula. Pateicoties periodiskā likuma atklāšanai un periodiskās sistēmas izveidei, Dmitrijs Mendeļejevs pierādīja, ka atomu-molekulārā teorija ir saistīta ne tikai ar ķīmiskajiem likumiem, bet arī ar elementu fizikālajām īpašībām.
Nākamais posms neorganiskās ķīmijas attīstībā ir saistīts ar radioaktīvās sabrukšanas atklāšanu 1876. gadā un atoma uzbūves noskaidrošanu 1913. gadā. Albrehta Kesela un Gilberta Lūisa pētījums 1916. gadā atrisina ķīmisko saišu rakstura problēmu. Balstoties uz Vilarda Gibsa un Henrika Rošeba neviendabīgā līdzsvara teoriju, 1913. gadā Nikolajs Kurnakovs izveidoja vienu no galvenajām mūsdienu neorganiskās ķīmijas metodēm -fizikālā un ķīmiskā analīze.
Neorganiskās ķīmijas pamati
Neorganiskie savienojumi dabā sastopami minerālu veidā. Augsnē var būt dzelzs sulfīds, piemēram, pirīts vai kalcija sulfāts ģipša formā. Neorganiskie savienojumi rodas arī kā biomolekulas. Tie ir sintezēti izmantošanai kā katalizatori vai reaģenti. Pirmais svarīgais mākslīgais neorganiskais savienojums ir amonija nitrāts, ko izmanto augsnes mēslošanai.
Sāls
Daudzi neorganiskie savienojumi ir jonu savienojumi, kas sastāv no katjoniem un anjoniem. Tie ir tā sauktie sāļi, kas ir neorganiskās ķīmijas pētījumu objekts. Jonu savienojumu piemēri:
- Magnija hlorīds (MgCl2), kas satur Mg2+ katjonus un Cl- anjonus.
- Nātrija oksīds (Na2O), kas sastāv no katjoniem Na+ un anjoniem O2- .
Katrā sālī jonu proporcijas ir tādas, ka elektriskie lādiņi ir līdzsvarā, tas ir, savienojums kopumā ir elektriski neitrāls. Jonus raksturo to oksidācijas pakāpe un veidošanās vieglums, kas izriet no elementu, no kuriem tie veidojas, jonizācijas potenciāla (katjoni) vai elektronu afinitātes (anjoni).
Neorganiskie sāļi ietver oksīdus, karbonātus, sulfātus un halogenīdus. Daudziem savienojumiem ir raksturīga augsta kušanas temperatūra. Neorganiskie sāļi parasti ir cieti kristāliski veidojumi. Vēl viena svarīga iezīme ir viņušķīdība ūdenī un viegla kristalizācija. Daži sāļi (piemēram, NaCl) ļoti labi šķīst ūdenī, bet citi (piemēram, SiO2) gandrīz nešķīst.
Metāli un sakausējumi
Metāli, piemēram, dzelzs, varš, bronza, misiņš, alumīnijs, ir ķīmisko elementu grupa periodiskās tabulas apakšējā kreisajā stūrī. Šajā grupā ietilpst 96 elementi, kuriem raksturīga augsta siltuma un elektriskā vadītspēja. Tos plaši izmanto metalurģijā. Metālus nosacīti var iedalīt melnajos un krāsainajos, smagajos un vieglajos. Starp citu, visvairāk izmantotais elements ir dzelzs, tas aizņem 95% no pasaules ražošanas visu veidu metāliem.
Sakausējumi ir sarežģītas vielas, ko iegūst, izkausējot un sajaucot divus vai vairākus metālus šķidrā stāvoklī. Tie sastāv no pamatnes (procentos dominējošie elementi: dzelzs, varš, alumīnijs utt.) ar nelielām leģējošu un modificējošu komponentu piedevām.
Cilvēce izmanto aptuveni 5000 sakausējumu veidu. Tie ir galvenie materiāli būvniecībā un rūpniecībā. Starp citu, starp metāliem un nemetāliem ir arī sakausējumi.
Klasifikācija
Neorganiskās ķīmijas tabulā metāli ir sadalīti vairākās grupās:
- 6 elementi ir sārmainā grupā (litijs, kālijs, rubīdijs, nātrijs, francijs, cēzijs);
- 4 - sārmzemēs (rādijs, bārijs, stroncijs, kalcijs);
- 40 - pārejas posmā (titāns, zelts, volframs, varš, mangāns,skandijs, dzelzs utt.);
- 15 – lantanīdi (lantāns, cērijs, erbijs u.c.);
- 15 – aktinīdi (urāns, aktīnijs, torijs, fermijs u.c.);
- 7 – pusmetāli (arsēns, bors, antimons, germānija u.c.);
- 7 - vieglie metāli (alumīnijs, alva, bismuts, svins utt.).
Nemetāls
Nemetāli var būt gan ķīmiskie elementi, gan ķīmiskie savienojumi. Brīvā stāvoklī tie veido vienkāršas vielas ar nemetāliskām īpašībām. Neorganiskajā ķīmijā izšķir 22 elementus. Tie ir ūdeņradis, bors, ogleklis, slāpeklis, skābeklis, fluors, silīcijs, fosfors, sērs, hlors, arsēns, selēns utt.
Tipiskākie nemetāli ir halogēni. Reakcijā ar metāliem tie veido savienojumus, kuru saite galvenokārt ir jonu, piemēram, KCl vai CaO. Mijiedarbojoties savā starpā, nemetāli var veidot kovalenti saistītus savienojumus (Cl3N, ClF, CS2 utt.).
Bāzes un skābes
Bāzes ir sarežģītas vielas, no kurām svarīgākās ir ūdenī šķīstošie hidroksīdi. Izšķīdinot, tie disociējas ar metālu katjoniem un hidroksīda anjoniem, un to pH ir lielāks par 7. Bāzes var uzskatīt par ķīmiski pretējas skābēm, jo ūdeni disociējošās skābes palielina ūdeņraža jonu (H3O+) koncentrāciju, līdz bāze tiek samazināta.
Skābes ir vielas, kas piedalās ķīmiskās reakcijās ar bāzēm, atņemot no tām elektronus. Lielākā daļa praktiski svarīgu skābju ir ūdenī šķīstošas. Izšķīdinot, tie disociējas no ūdeņraža katjoniem(Н+) un skābiem anjoniem, un to pH ir mazāks par 7.
