Неарганічная хімія

Неарганічная хімія — раздзел хіміі, які вывучае хімічныя элементы і ўтвораныя імі простыя і складаныя рэчывы, акрамя арганічных злучэнняў.

Неарганічная хімія займаецца вырашэннем наступных задач:

• даследаванне будовы, саставу і ўласцівасцей простых рэчываў і хімічных злучэнняў
• распрацоўка і навуковае абгрунтаванне спосабаў стварэння новых матэрыялаў з патрэбнымі для сучаснай тэхнікі ўласцівасцямі.

Тэарэтычнай асновай неарганічнай хіміі з’яўляецца перыядычны закон і заснаваная на ім перыядычная сістэма Д. І. Мендзялеева.

Неарганічная хімія з’яўляецца навуковай базай хімічнай вытворчасці неарганічных рэчываў (солей, кіслот, шчолачаў і інш.), неабходных для развіцця цяжкай індустрыі і сельскай гаспадаркі.

Класіфікацыя

Па аб’ектах, якія вывучаюцца, неарганічную хімію падзяляюць на:

• хімію асобных элементаў
• хімію груп элементаў перыядычнай сістэмы (напрыклад, хімія шчолачных металаў, галагенаў, шчолачназямельных элементаў, халькагенаў і інш.)
• хімію пэўных злучэнняў некаторых элементаў (напрыклад, хімія сілікатаў, пераксідных злучэнняў і інш.)
• хімію блізкіх па ўласцівасцях і галінах выкарыстання рэчываў (напрыклад, хімія тугаплаўкіх рэчываў, інтэрметалідаў, паўправаднікоў, высакародных металаў, неарганічных палімераў і інш.)
• хімію элементаў, аб’яднаных у групы па адзнаках, якія склаліся гістарычна (напрыклад, хімія рэдкіх элементаў).

Сярод самастойных раздзелаў неарганічнай хіміі — каардынацыйная хімія, ці хімія каардынацыйных злучэнняў. Звычайна таксама адасабляюць хімію пераходных элементаў.

Гісторыя

Гісторыя неарганічнай хіміі пачынаецца з глыбокай старажытнасці. Першыя звесткі пра золата, серабро, медзь, волава і іншыя металы адносяцца да 3 ст. да н.э.

У сярэднія вякі, калі панавала алхімія, былі адкрыты мыш'як, сурма, фосфар, цынк, вісмут, атрыманы некаторыя кіслоты (серная, саляная, азотная), некаторыя солі і іншыя неарганічныя злучэнні.

Як самастойная навука неарганічная хімія пачала развівацца ў 18—19 стагоддзях, калі былі ўстаноўлены асноўныя законы хімічнай атамістыкі: законы захавання масы пры хімічных рэакцыях (М. В. Ламаносаў, 1756; А. Лавуазье, 1770), пастаянства саставу (Ж. Пруст, 1801—1807), закон кратных адносін (Дж. Дальтан, 1803).

У пачатку 19 стагоддзя Ё. Я. Берцэліус апублікаваў табліцу атамных мас 45 вядомых элементаў, А. Авагадра і Ж. Л. Гей-Люсак адкрылі газавыя законы. П. Л. Дзюлонг і А. Пці вынайшлі правіла, што звязвае цеплаёмістасць з колькасцю атамаў у злучэнні. Г. І. Гес адкрыў закон пастаянства колькасці цеплаты. Узнікла атамна-малекулярная тэорыя. У 1807 годзе Г. Дэві ажыццявіў электроліз гідраксідаў натрыю і калію і ўвёў у практыку новы метад атрымання простых рэчываў. У 1834 годзе М. Фарадэй апублікаваў асноўныя законы электрахіміі.

Наступны этап у развіцці неарганічнай хіміі звязаны з адкрыццём перыядычнага закону і перыядыячнай сістэмы элементаў Мендзялеева (1869), а таксама з дасягненнямі фізікі, якія дазволілі даць перыядычнаму закону фізічнае абгрунтаванне, заснаванае на тэорыі будовы атама.

У пачатку 20 стагоддзя прапанаваны першыя электронныя тэорыі валентасці (В. Косель, 1915; Г. Льюіс, 1916), распрацаваны асновы каардынацыйнай хіміі (Л. А. Чугаеў, І. І. Чарнякоў). Даследаванне прыроднай радыеактыўнасці прывяло да адкрыцця прыродных радыеактыўных элементаў і ўзнікнення радыяхіміі. Адкрыццё ў 1934 годзе штучнай радыеактыўнасці дазволіла атрымаць новыя хімічныя элементы і ізатопы, запоўніць прабелы ў перыядычнай сістэме элементаў і дабудаваць яе трансуранавымі элементамі.

Развіццё ядзернай энергетыкі, рэактыўнай тэхнікі, электронікі спрыяла стварэнню новых сінтэтычных матэрыялаў і тэхналогій з выкарыстаннем дасягненняў у галіне тэхнікі высокіх тэмператур і ціску, глыбокага вакууму, распрацоўкі метадаў атрымання матэрыялаў высокай чысціні.

Важная задача сучаснай неарганічнай хіміі — даследаванне хімічных уласцівасцей і спосабаў атрымання рэдкіх металаў (ніобій, тытан, малібдэн, тантал) і сплаваў на іх аснове, вывучэнне неарганічных палімераў і сіталаў.

На Беларусі даследаванні па неарганічнай хіміі вядуцца ў Інстытуце агульнай і неарганічнай хіміі Нацыянальнай АН (сінтэз эмаляў, адсарбентаў, каталізатараў, керамічных матэрыялаў і мінеральных угнаенняў), Інстытуце фізікі цвёрдага цела і паўправаднікоў Нацыянальнай АН і БДУ (сінтэз звышцвёрдых і паўправадніковых матэрыялаў, сегнетаэлектрыкаў і ферытаў), Беларускім дзяржаўным тэхналагічным універсітэце (фосфарныя ўгнаенні, пераўскіты, ферыты), НДІ будматэрыялаў (пенашкло, пенабетон, вапна і інш.), Беларускім універсітэце інфарматыкі і радыёэлектронікі (паўправадніковыя злучэнні).

Метады даследаванняў

Асноўныя метады даследаванняў грунтуюцца на аналізе (сукупнасць аперацый, скіраваных на вызначэнне якаснага і колькаснага саставу рэчыва) і сінтэзе (атрыманне складаных хімічных злучэнняў з больш простых ці з хімічных элементаў).

У неарганічнай хіміі выкарыстоўваюцца тэарэтычныя ўяўленні і метады фізікі, крышталяграфіі, крышталяхіміі, а таксама метады аналітычнай, фізічнай і калоіднай хіміі.

Простыя рэчывы

Складаюцца з атамаў аднаго хімічнага элемента (з’яўляюцца формай яго існавання ў свабодным стане). У залежнасці ад таго, якая хімічная сувязь паміж атамамі, усе простыя рэчывы ў неарганічнай хіміі падзяляюцца на дзве асноўныя групы: металы і неметалы. Для першых характэрна, адпаведна, металічная сувязь, для другіх — кавалентная. Варта, зрэшты, заўважыць, што радыкальных і істотных адрозненняў адзін ад аднаго вышэйзгаданыя простыя рэчывы не маюць. Таксама вылучаюцца дзве групы, якія прымыкаюць да іх — металападобных і неметалападобных рэчываў. Існуе з’ява алатрапіі, якая складаецца ў магчымасці стварэння некалькіх тыпаў простых рэчываў з атамаў аднаго і таго ж элемента; кожны з такіх тыпаў называецца алатропнай мадыфікацыяй. Калі дадзеная з’ява абумоўлена розным малекулярным складам, то яна вызначаецца як алатропія складу; калі спосабам размяшчэння малекул і атамаў ў крышталях — тады як алатропія формы.

Металы

Асноўны артыкул: Металы

Металы (ад лац.: metallum — шахта, руднік) — група элементаў, якая валодае характэрнымі металічнымі ўласцівасцямі, такімі як высокія цепла- і электраправоднасць, станоўчы тэмпературны каэфіцыент супраціўлення, высокая пластычнасць і металічны бляск. З 118 хімічных элементаў, адкрытых на дадзены момант (з іх не ўсе афіцыйна прызнаныя), да металаў адносяць:

• 6 элементаў у групе шчолачных металаў,
• 6 у групе шчолачназямельных металаў,
• 38 у групе пераходных металаў,
• 11 у групе лёгкіх металаў,
• 7 у групе паўметалаў,
• 14 у групе лантаноіды + лантан,
• 14 у групе актыноіды (фізічныя ўласцівасці вывучаны не ва ўсіх элементаў) + актыній,
• па-за пэўных груп берылій і магній.

Такім чынам, да металаў належыць 96 элементаў з усіх адкрытых. У сілу асаблівасцяў металічнай атамнай сувязі (а менавіта — ненасычанасці і ненакіраванасці) металы характарызуюцца максімальна шчыльнымі каардынацыйнымі рашоткамі. Найбольш тыповыя для іх кубічная гранецэнтрырыванная, кубічная аб’ёмна цэнтраваная і гексагональная крышталічныя рашоткі. Акрамя таго, з-за энергетычнай блізкасці рашотак у многіх металаў выяўляецца полімарфізм.

Неметалы

Асноўны артыкул: Неметалы

Неметалы — хімічныя элементы з тыповымі неметалічнымі ўласцівасцямі, якія знаходзяцца ў правым верхнем вугле Перыядычнай сістэмы. У малекулярнай форме ў выглядзе простых рэчываў у прыродзе сустракаюцца азот, кісларод і сера. Часцей неметалы знаходзяцца ў хімічна звязаным выглядзе: гэта вада, мінералы, горныя пароды, розныя сілікаты, фасфаты, бараты. Па распаўсюджанасці ў зямной кары неметалы істотна адрозніваюцца. Найбольш распаўсюджанымі з’яўляюцца кісларод, крэмній, вадарод; найбольш рэдкімі — мыш'як, селен, ёд. Характэрнай асаблівасцю неметалаў з’яўляецца бо́льшы (у параўнанні з металамі) лік электронаў на знешнім энергетычным узроўні іх атамаў. Гэта вызначае іх бо́льшую здольнасць да далучэння дадатковых электронаў і праявы больш высокай акісляльнай актыўнасці, чым у металаў. Да неметалаў таксама адносяць вадарод і гелій.

Складаныя рэчывы

Існуюць розныя класіфікацыі складаных рэчываў. Так, паводле колькасці элементаў, якія ўваходзяць у склад рэчыва, адрозніваюцца бінарныя, трохэлеменныя злучэнні і г.д.

Вялікую частку складаных неарганічных рэчываў (гэта значыць, якія складаюцца з двух і больш хімічных элементаў) можна падзяліць на наступныя групы:

• Аксіды
• Солі
• Аснова
• Кіслоты

Таксама можна вылучыць наступныя групы неарганічных рэчываў: карбіды, нітрыды, гідрыды, інтэрметаліды і г. д., якія не ўкладваюцца ў прыведзеную вышэй класіфікацыю (больш падрабязна гл. Неарганічнае рэчыва).

Бінарныя злучэнні

Бінарнымі называюцца злучэнні, якія складаюцца з атамаў двух элементаў. Іх класіфікацыя таксама адбываецца на падставе тыпу хімічнай сувязі; вылучаюць злучэння іонныя, кавалентныя, металічныя, а таксама злучэнні, якія характарызуюцца змяшаным тыпам сувязі. Іх хімічныя ўласцівасці вар’іруюцца ў залежнасці ад хімічнай прыроды канкрэтных элементаў: злучэнні, у склад якіх уваходзяць металічныя элементы, характарызуюцца асноўнымі ўласцівасцямі, у той час як злучэння неметалічных элементаў праяўляюць кіслотныя ўласцівасці.

Трохэлементныя злучэнні

Трохэлементныя злучэнні — найбольш простыя па складзе злучэнні, якія ўтвараюцца пры ўзаемадзеянні, як правіла, істотна адрозніваюцца адзін ад аднаго па хімічнай прыродзе бінарных злучэнняў. З пункту гледжання хімічнай сувязі яны падзяляюцца на іонныя, кавалентныя і іонна-кавалентныя. У залежнасці ад устойлівасці іонаў іх знешняй сферы вар’іруецца ўстойлівасць аніёных комплексаў, якая, у сваю чаргу, уплывае на ўласцівасці злучэння і ступень яго падабенства да бінарнага.

Калі ж узаемадзейнічаюць злучэнні, якія мала адрозніваюцца адзін ад аднаго па хімічнай прыродзе, то ў выніку ўзнікаюць асаблівыя разнавіднасці рэчываў: змешаныя злучэнні, цвёрдыя растворы і эўтэктыкі. Першыя з пералічаных — гэта палімеры, якія з’яўляюцца прадуктам узаемадзеяння злучэнняў элементаў, аднолькава схільных да комплексаўтварэнню (напрыклад, аксід алюмінія і аксід магнію), другія ўтвараюцца ў тым выпадку, калі электрастаноўчыя элементы могуць утвараць падобныя структурныя адзінкі (гэта значыць не маюць прынцыповых адрозненняў у будове, памеры і ўстойлівасці), а трэція ўяўляюць сабой вынік узаемадзеяння злучэнняў элементаў, якія блізкія адзін аднаму хімічна, але адрозніваюцца па будове або памеры атамаў. У апошнім выпадку хімічнага ўзаемадзеяння, строга кажучы, не адбываецца наогул — узнікае механічны кангламерат крышталяў.

Аксіды

Асноўны артыкул: Аксіды

Аксід — бінарнае злучэнне хімічнага элемента з кіслародам ў ступені акіслення −2, у якім сам кісларод звязаны толькі з менш электраадмоўным элементам. Хімічны элемент кісларод па электраадмоўнасці займае другое месца пасля фтору, таму да аксідаў адносяцца амаль усе злучэння хімічных элементаў з кіслародам. Выключэннем з’яўляецца, напрыклад, дыфтарыд кіслароду OF₂. Аксіды — вельмі распаўсюджаны тып злучэнняў, якія змяшчаюцца ў зямной кары і ва Сусвету наогул. Прыкладамі такіх злучэнняў з’яўляюцца іржа, вада, пясок, вуглякіслы газ, шэраг фарбавальнікаў. Аксідамі называецца клас мінералаў, якія ўяўляюць сабой злучэння металу з кіслародам.

Солі

Асноўны артыкул: Солі

Со́лі — клас хімічных злучэнняў, да якога адносяцца рэчывы, якія складаюцца з катыёнаў металу (або катыёнаў амонію $~\mathrm {NH_{4}^{+}}$; вядомыя солі фасфонію $~\mathrm {PH_{4}^{+}}$ або гідраксонію $~\mathrm {H_{3}O^{+}}$) і аніёнаў кіслотнага астатку. Тыпы соляў:

• Сярэднія (нармальныя) солі — усе атамы вадароду ў малекулах кіслаты замешчаныя на атамы металу, напрыклад, $~\mathrm {Na_{2}CO_{3}}$, $~\mathrm {K_{3}PO_{4}}$.
• Кіслыя солі — атамы вадароду ў кіслаце часткова замешчаныя атамамі металу. Яны атрымліваюцца пры нейтралізацыі асновы лішкам кіслаты, напрыклад, $~\mathrm {NaHCO_{3}}$, $~\mathrm {K_{2}HPO_{4}}$.
• Асноўныя солі — гідраксагрупы асновы (OH⁻) часткова замешчаны кіслотнымі астаткамі, напрыклад. $~\mathrm {(CuOH)_{2}CO_{3}}$.
• Падвойныя солі — у іх складзе прысутнічае два розныя катыёны, атрымліваюцца крышталізацыяй са змяшанага раствора соляў з рознымі катыёнамі, але аднолькавымі аніёнамі, напрыклад, $~\mathrm {KAl(SO_{4})_{2}\cdot 12\ H_{2}O}$.
• Змяшаныя солі — у іх складзе прысутнічае два розныя аніёны, напрыклад, $~\mathrm {Ca(OCl)Cl}$.
• Гідратныя солі (крышталегідраты) — у іх склад уваходзяць малекулы крышталізацыйнай вады, напрыклад, $~\mathrm {Na_{2}SO_{4}\cdot 10\ H_{2}O}$.
• Комплексныя солі — у іх склад уваходзіць комплексны катыён або комплексны аніён, напрыклад, $~\mathrm {K_{3}[Fe(CN)_{6}]}$, $~\mathrm {[Cu(NH_{3})_{4}](OH)_{2}}$.

Асаблівую групу складаюць солі арганічных кіслот, уласцівасці якіх значна адрозніваюцца ад уласцівасцяў мінеральных соляў. Некаторыя з іх можна аднесці да асаблівага класа арганічных соляў, так званых іонных вадкасцяў або па-іншаму «вадкіх соляў», арганічных соляў з тэмпературай плаўлення ніжэй за 100 °C.

Асновы

Асноўны артыкул: Асновы

Асно́вы — клас хімічных злучэнняў, складаныя рэчывы, якія складаюцца з атамаў металу або іона амонію і гідраксагрупы (-OH). У водным растворы дысацыююць са стварэннем катыёнаў і аніёнаў ОН⁻. Назва асновы звычайна складаецца з двух слоў: «гідраксід металу / амонія». Асновы, якія добра раствараюцца ў вадзе, называюцца шчолачамі.

Кіслоты

Асноўны артыкул: Кіслоты

Кісло́ты — складаныя рэчывы, у склад якіх звычайна ўваходзяць атамы вадароду, здольныя замяшчацца на атамы металаў, і кіслотны астатак. Водныя растворы кіслот маюць кіслы смак, валодаюць раздражняльным дзеяннем, здольныя мяняць афарбоўку індыкатараў, адрозніваюцца шэрагам агульных хімічных уласцівасцяў.

Карбіды

Асноўны артыкул: Карбіды

Карбі́ды — злучэнні металаў і неметалаў з вугляродам. Традыцыйна да карбідаў адносяцца злучэнні, у якіх вуглярод мае бо́льшую электраадмоўнасць, чым другі элемент (такім чынам са складу карбідаў выключаюцца такія злучэння вугляроду, як аксіды, галагеніды і інш.). Карбіды — тугаплаўкія цвёрдыя рэчывы: карбіду бору і крэмнію (В₄С и SiC), тытана, вальфраму, цырконію (TiC, WC і ZrC адпаведна) валодаюць высокай цвёрдасцю, гарачаўстойлівасцю, хімічнай інэртнасцю.

Нітрыды

Асноўны артыкул: Нітрыды

Нітры́ды — злучэнні азоту з менш электраадмоўнымі элементамі, напрыклад, з металамі (AlN;TiN_x;Na₃N;Ca₃N₂;Zn₃N₂; і інш.) і з шэрагам неметалаў (NH₃, BN, Si₃N₄). Злучэнні азоту з металамі часцей за ўсё з’яўляюцца тугаплаўкімі і устойлівымі пры высокіх тэмпературах рэчывамі, напрыклад, эльбор. Нітрыдныя пакрыцці надаюць вырабам цвёрдасць, каразійную стойкасць; знаходзяць прымяненне ў энергетыцы, касмічнай тэхніцы.

Гідрыды

Асноўны артыкул: Гідрыды

Гідры́ды — злучэнні вадароду з металамі і з неметаламі, якія маюць меншую электраадмоўнасць, чым вадарод. Часам да гідрыдаў адносяць злучэнні ўсіх элементаў з вадародам. Гідрыды дзеляцца на тры тыпы ў залежнасці ад характару сувязі ў злучэнні: іонныя гідрыды, металічныя гідрыды і кавалентныя гідрыды.

Інтэрметаліды

Асноўны артыкул: Інтэрметаліды

Металічныя злучэнні, або інтэрметаліды — адзін з чатырох базавых варыянтаў узаемадзеяння паміж металамі (астатнія тры — поўная адсутнасць якога-небудзь уплыву, узаемнае растварэнне ў вадкім стане і ўтварэнне эўтэктыкі ў цвёрдым, а таксама фарміраванне як вадкіх, так і цвёрдых раствораў любога складу). У адрозненне ад, напрыклад, цвёрдых раствораў інтэрметаліды характарызуюцца складанай крышталічнай структурай, непадобнай да структуры зыходных рэчываў; аналагічным чынам у іх могуць з’яўляцца фізічныя або хімічныя асаблівасці, не ўласцівыя іх складальнікам у чыстым выглядзе. У цэлым для інтэрметалідаў характэрна шырокая разнастайнасць крышталічных структур і тыпаў хімічнай сувязі, што, у сваю чаргу, з’яўляецца прычынай шырокага спектру іх магчымых фізічных і хімічных уласцівасцяў.

Інтэрметаліды, як і іншыя хімічныя злучэнні, маюць фіксаваныя суадносіны паміж кампанентамі. Інтэрметаліды валодаюць, як правіла, высокай цвёрдасцю і высокай хімічнай устойлівасцю. Вельмі часта інтэрметаліды маюць больш высокую тэмпературу плаўлення, чым зыходныя металы. Амаль усе інтэрметаліды далікатныя, бо сувязь паміж атамамі ў рашотцы становіцца кавалентнай або іоннай (напрыклад, у аўрыдзе цэзія CsAu), а не металічнай. Некаторыя з іх маюць паўправадніковыя ўласцівасці, прычым, чым бліжэй да стэхіаметрыі суадносіны элементаў, тым вышэй электрычнае супраціўленне. Нікелід тытана, вядомы пад маркай «нітынол», валодае памяццю формы — пасля загартоўкі выраб можа быць дэфармавана механічна, але пры невялікім нагрэве прыме зыходную форму.

Нестэхіяметрычныя злучэнні

Да пачатку XX стагоддзя аксіёматычным лічылася становішча аб пастаянстве саставу тых ці іншых рэчываў, упершыню выказанае і сфармуляванае стагоддзем раней. Разглядаемае сцвярджэнне было аналагічным чынам пайменавана як закон пастаянства саставу, а адпаведная ўласцівасць рэчываў — як стэхіяметрычнасць. Даследаванні, праведзеныя вучоным М. С. Курнаковым паказалі, што існуюць таксама і злучэнні пераменнага саставу, гэта значыць нестэхіяметрычныя, і пры гэтым яны характарызуюцца даволі высокай ступенню распаўсюджанасці ў прыродзе. М. С. Курнакоў прапанаваў таксама называць злучэнні пастаяннага саставу дальтанідамі, а пераменнага — берталідамі.

У той ці іншай ступені пераменны склад характэрны для тых рэчываў, у якіх назіраецца або атамная, або іонная будова. У такім выпадку ў крышталі могуць узнікаць рознага роду дэфекты — або недахоп атамаў у пэўных вузлах, або іх лішак у прамежках паміж вузламі. Напрыклад, відавочная нестэхіяметрычнасць характэрна для аксіду і сульфату жалеза (II). Існуюць пэўныя межы, унутры якіх адхіленні ад стэхіяметрычнага саставу лічацца дапушчальнымі; адпаведны дыяпазон называецца вобласцю гамагеннасці. У сваю чаргу, рэчывы з малекулярнай будовай маюць пастаянны састаў; варта, зрэшты, заўважыць, што да 95 % неарганічных рэчываў такой будовы не маюць і ў сілу гэтага з’яўляюцца нестэхіяметрычнымі. Працяглая перавага ўяўленняў аб пастаянстве саставу тлумачыцца тым, што часта змены аказваюцца недастаткова істотнымі для іх выяўлення ў ходзе хімічнага аналізу.

Літаратура

• Беларуская энцыклапедыя: У 18 т. Т. 11: Мугір — Паліклініка / Рэдкал.: Г. П. Пашкоў і інш. — Мн. : БелЭн, 2000. — Т. 11. — 560 с. — 10 000 экз. — ISBN 985-11-0035-8. — ISBN 985-11-0188-5 (т. 11).
• Неаргані́чная хі́мія // Беларусь: энцыклапедычны даведнік / Рэдкал. Б. І. Сачанка (гал. рэд.) і інш.; Маст. М. В. Драко, А. М. Хількевіч. — Мн.: БелЭн, 1995. — С. 533. — 800 с. — 5 000 экз. — ISBN 985-11-0026-9.

Спасылкі

• На Вікісховішчы ёсць медыяфайлы па тэме Неарганічная хімія