Anorgaaniline keemia on osa üldisest keemiast. See käsitleb anorgaaniliste ühendite omaduste ja käitumise uurimist – nende struktuuri ja võimet reageerida teiste ainetega. See suund uurib kõiki aineid, välja arvatud need, mis on üles ehitatud süsinikuahelatest (viimased on orgaanilise keemia uurimisobjekt).
Kirjeldus
Keemia on keeruline teadus. Selle jagamine kategooriatesse on täiesti meelevaldne. Näiteks anorgaanilist ja orgaanilist keemiat seovad ühendid, mida nimetatakse bioanorgaanilisteks. Nende hulka kuuluvad hemoglobiin, klorofüll, vitamiin B12 ja paljud ensüümid.
Väga sageli tuleb aineid või protsesse uurides arvestada erinevate seostega teiste teadustega. Üldine ja anorgaaniline keemia hõlmab lihtsaid ja keerulisi aineid, mille arv läheneb 400 000-le. Nende omaduste uurimine hõlmab sageli mitmesuguseid füüsikalise keemia meetodeid, kuna need võivad kombineerida selliseid teadusele iseloomulikke omadusi naguFüüsika. Ainete kvaliteeti mõjutavad juhtivus, magnetiline ja optiline aktiivsus, katalüsaatorite mõju ja muud "füüsikalised" tegurid.
Üldiselt klassifitseeritakse anorgaanilised ühendid nende funktsiooni järgi:
- happed;
- põhjus;
- oksiidid;
- sool.
Oksiide jagatakse sageli metallideks (aluselised oksiidid või aluselised anhüdriidid) ja mittemetallide oksiidideks (happeoksiidid või happeanhüdriidid).
Päritolu
Anorgaanilise keemia ajalugu jaguneb mitmeks perioodiks. Algstaadiumis koguti teadmisi juhuslike vaatluste teel. Juba iidsetest aegadest on püütud mitteväärismetalle muuta väärismetallideks. Alkeemilist ideed propageeris Aristoteles oma doktriini kaudu elementide konverteeritavuse kohta.
15. sajandi esimesel poolel möllasid epideemiad. Eriti elanikkond kannatas rõugete ja katku all. Aesculapius eeldas, et haigusi põhjustavad teatud ained ja nende vastu tuleks võidelda teiste ainete abil. See tõi kaasa nn meditsiinilis-keemilise perioodi alguse. Sel ajal sai keemiast iseseisev teadus.
Uue teaduse tekkimine
Renessansiajal hakkas puhtpraktilise õppesuuna keemia teoreetilisi mõisteid "omandada". Teadlased püüdsid selgitada ainetega toimuvaid protsesse. 1661. aastal tutvustas Robert Boyle mõistet "keemiline element". Aastal 1675 eraldab Nicholas Lemmer keemilised elemendidtaimedest ja loomadest pärinevad mineraalid, millega nähakse ette anorgaaniliste ühendite keemia uurimine orgaanilistest eraldi.
Hiljem püüdsid keemikud põlemisnähtust selgitada. Saksa teadlane Georg Stahl lõi flogistonite teooria, mille kohaselt põlev keha lükkab tagasi flogistoni mittegravitatsioonilise osakese. 1756. aastal tõestas Mihhail Lomonosov eksperimentaalselt, et teatud metallide põlemine on seotud õhu (hapniku) osakestega. Antoine Lavoisier lükkas ümber ka flogistonite teooria, saades kaasaegse põlemisteooria rajajaks. Ta tutvustas ka mõistet "keemiliste elementide ühend".
Arendus
Järgmine periood algab John D altoni tööga ja üritab selgitada keemilisi seadusi ainete vastasmõju kaudu aatomilisel (mikroskoopilisel) tasandil. Esimesel keemiakongressil Karlsruhes 1860. aastal määratleti aatomi, valentsi, ekvivalendi ja molekuli mõisted. Tänu perioodilisuse seaduse avastamisele ja perioodilisuse süsteemi loomisele tõestas Dmitri Mendelejev, et aatomi-molekulaarteooria on seotud mitte ainult keemiliste seadustega, vaid ka elementide füüsikaliste omadustega.
Anorgaanilise keemia arengu järgmist etappi seostatakse radioaktiivse lagunemise avastamisega 1876. aastal ja aatomi ehituse selgitamisega 1913. aastal. Albrecht Kesseli ja Gilbert Lewise 1916. aastal tehtud uurimus lahendab keemiliste sidemete olemuse probleemi. Tuginedes Willard Gibbsi ja Henrik Roszebi heterogeense tasakaalu teooriale, lõi Nikolai Kurnakov 1913. aastal kaasaegse anorgaanilise keemia ühe peamise meetodi -füüsikaline ja keemiline analüüs.
Anorgaanilise keemia alused
Anorgaanilised ühendid esinevad looduslikult mineraalide kujul. Pinnas võib sisaldada raudsulfiidi, näiteks püriiti või k altsiumsulfaati kipsi kujul. Anorgaanilised ühendid esinevad ka biomolekulidena. Neid sünteesitakse katalüsaatorite või reagentidena kasutamiseks. Esimene oluline kunstlik anorgaaniline ühend on ammooniumnitraat, mida kasutatakse mulla väetamiseks.
Soolad
Paljud anorgaanilised ühendid on ioonsed ühendid, mis koosnevad katioonidest ja anioonidest. Need on nn soolad, mis on anorgaanilise keemia uurimisobjektiks. Ioonsete ühendite näited on:
- Magneesiumkloriid (MgCl2), mis sisaldab Mg2+ katioone ja Cl- anioone.
- Naatriumoksiid (Na2O), mis koosneb katioonidest Na+ ja anioonidest O2- .
Igas soolas on ioonide proportsioonid sellised, et elektrilaengud on tasakaalus, st ühend tervikuna on elektriliselt neutraalne. Ioone kirjeldatakse nende oksüdatsiooniastme ja moodustumise lihtsuse järgi, mis tuleneb nende elementide ionisatsioonipotentsiaalist (katioonid) või elektronide afiinsusest (anioonid), millest need moodustuvad.
Anorgaaniliste soolade hulka kuuluvad oksiidid, karbonaadid, sulfaadid ja halogeniidid. Paljusid ühendeid iseloomustavad kõrged sulamistemperatuurid. Anorgaanilised soolad on tavaliselt tahked kristalsed moodustised. Teine oluline omadus on nendevees lahustuvus ja kristalliseerumise lihtsus. Mõned soolad (nt NaCl) lahustuvad vees väga hästi, teised aga (nt SiO2) on peaaegu lahustumatud.
Metallid ja sulamid
Metallid, nagu raud, vask, pronks, messing, alumiinium, on perioodilisuse tabeli vasakus alanurgas keemiliste elementide rühm. Sellesse rühma kuulub 96 elementi, mida iseloomustab kõrge soojus- ja elektrijuhtivus. Neid kasutatakse laialdaselt metallurgias. Metallid võib tinglikult jagada mustadeks ja värvilisteks, rasketeks ja kergeteks. Muide, enimkasutatav element on raud, mis moodustab 95% maailma toodangust kõigi metalliliikide hulgas.
Sulamid on keerulised ained, mis saadakse kahe või enama metalli sulamisel ja segamisel vedelas olekus. Need koosnevad alusest (protsentides domineerivad elemendid: raud, vask, alumiinium jne), millele on lisatud väikseid legeerivaid ja modifitseerivaid komponente.
Inimkond kasutab umbes 5000 tüüpi sulameid. Need on peamised materjalid ehituses ja tööstuses. Muide, metallide ja mittemetallide vahel on ka sulameid.
Klassifikatsioon
Anorgaanilise keemia tabelis on metallid jagatud mitmeks rühmaks:
- 6 elementi on leeliselises rühmas (liitium, kaalium, rubiidium, naatrium, frantsium, tseesium);
- 4 – leelismuldmetallides (raadium, baarium, strontsium, k altsium);
- 40 – üleminekul (titaan, kuld, volfram, vask, mangaan,skandium, raud jne);
- 15 – lantaniidid (lantaan, tseerium, erbium jne);
- 15 – aktiniidid (uraan, aktiinium, toorium, fermium jne);
- 7 – poolmetallid (arseen, boor, antimon, germaanium jne);
- 7 – kergmetallid (alumiinium, tina, vismut, plii jne).
Mittemetallid
Mittemetallid võivad olla nii keemilised elemendid kui ka keemilised ühendid. Vabas olekus moodustavad nad lihtsaid mittemetalliliste omadustega aineid. Anorgaanilises keemias eristatakse 22 elementi. Need on vesinik, boor, süsinik, lämmastik, hapnik, fluor, räni, fosfor, väävel, kloor, arseen, seleen jne.
Kõige tüüpilisemad mittemetallid on halogeenid. Reaktsioonis metallidega moodustavad nad ühendeid, mille side on peamiselt ioonne, näiteks KCl või CaO. Omavahel interakteerudes võivad mittemetallid moodustada kovalentselt seotud ühendeid (Cl3N, ClF, CS2 jne).
Alused ja happed
Alused on keerulised ained, millest olulisemad on vees lahustuvad hüdroksiidid. Lahustumisel dissotsieeruvad nad metallikatioonide ja hüdroksiidianioonidega ning nende pH on suurem kui 7. Aluseid võib pidada hapetele keemiliselt vastupidiseks, sest vett dissotsieeruvad happed suurendavad vesinikuioonide (H3O+) kontsentratsiooni kuni aluse redutseerumiseni.
Happed on ained, mis osalevad keemilistes reaktsioonides alustega, võttes neilt elektrone. Enamik praktilise tähtsusega happeid on vees lahustuvad. Lahustumisel dissotsieeruvad nad vesiniku katioonidest(Н+) ja happelisi anioone ning nende pH on alla 7.
