Неорганическая химия

Химические вещества

Неоргани́ческая хи́мия — наука, изучающая химические элементы и вещества ими образуемые кроме органических веществ. Является важной областью химии. Современная неорганическая химия изучет строение, свойства, химические превращения, реакционную способность, получение, генетические связи между неорганическими веществами, взаимосвязь между строением и свойствами веществ. Занимается разработкой методов очистки веществ и методами их синтеза. Основой теоретических знаний неорганической химии является периодический закон и Периодическая система химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева.

История развития

История неорганической химии развивалась одновременно с историей химии, естествознания и цивилизации. Первые химические открытия были сделаны около 3–5 тысяч лет до нашей эры, когда люди научились плавить медь, железо, бронзу и изготавливать стекло. В XVII веке были были открыты и исследованы многие простые газообразные вещества и соединения: азот, водород, кислород, хлор, диоксид углерода, оксиды азота и серы, другие газы. Роберт Бойль в своём труде «Химик-скептик» дал определение химическим элементам как веществам, которые не разлагаются на другие. Готфрид Эренфрид фон Шталь выдвинул теорию флогистона — особого вещества, которое выделяется при горении. Эта теория впоследствии была признана ошибочной, но помогла сформировать представления о сущности химических процессов.

В конце XVII века началось обособление знаний о неорганических веществах в отдельную область химии. Этот период часто связывают с именем Никола Лемери. М. В. Ломоносов и Антуан-Лоран де Лавуазье независимо друг от друга сформулировали закон сохранения массы для химических реакций. В XIX веке развитие неорганической химии было связано с внедрением атомной гипотезы и формированием атомно-молекулярной теории. К концу 1860-х годов было известно 63 химических элемента, классификацию которых основывали на периодическом законе, открытым Д. И. Менделеевым в 1869 году. В конце XIX — начале XX веков основное внимание в неорганической химии уделялось изучению состава и строения химических соединений. Во втором десятилетии XX века появились понятия об ионных и ковалентных химических связях, электроотрицательности, начали формироваться новые теории кислот и оснований. В середине XX века началось активное развитие производства химических источников тока, в частности литий-ионных аккумуляторов, суперконденсаторов и топливных элементов.

Структура науки

Существуют следующие разделы неорганической химии:

• теоретическая;
• синтетическая;
• прикладная.

В соответствии с изучаемыми объектами неорганическая химия делится на:

• химию отдельных химических элементов;
• химию групп химических элементов, входящих в периодическую систему;
• химию исторически сложившихся групп химических элементов;
• химию групп химических элементов с родственным электронным строением;
• химию групп химических элементов и соединений с близкими составом, строением, свойствами или областями применения;
• химию соединений с определённым типом химической связи.

Методы синтеза

Для получения неорганических веществ используются методы, основанные на способности к взаимодействию простых веществ и неорганических соединений, на их физических и химических характеристиках. Синтез включает стадии: смешивание компонентов, активацию смеси, непосредственно химическую реакцию, выделение целевого продукта и его очистку.

Методы анализа

В неорганической химии для анализа неорганических веществ применяется препаративный метод (химический) и метод физико-химического анализа. Препаративный метод применяется с древних времен. Он включает в себя проведение реакций между исходными веществами и разделение полученных продуктов с использованием процессов перегонки, возгонки, кристаллизации, фильтрации и других.

Метод физико-химического анализа был разработан Н. С. Курнаковым и его последователями. Этот метод основан на измерении различных физических свойств систем, содержащих два, три и более компонента. Полученные данные представляются в виде диаграмм. Их анализ позволяет определить состав и природу продуктов, образующихся в системе, без необходимости их выделения для дальнейшего анализа. Физико-химический анализ помогает определить пути синтеза веществ и предоставляет научную основу для процессов переработки руд, получения солей, металлов, сплавов и других важных промышленных материалов.

Классификация химических элементов

Классификация химических элементов в неорганической химии представлена в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, представляющая собой графическое выражение Периодического закона. Все открытые химические элементы располагаются в Периодической системе в соответсствии с возрастанием их атомных масс (во времена Д. И. Менделеева эту величину называли атомным весом). Свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов.

Простые вещества

Химические вещества, состоящие из одного вида атомов, отличаются от сложных веществ. Простые вещества могут быть металлами или неметаллами, в зависимости от типа их химической связи.

Металлы

Медь Cu

Все металлы, за исключением ртути (Pb), находятся в твёрдом состоянии и обладают схожими свойствами. Металлы — вещества, обладающие ковкостью, пластичностью и тягучестью, они имеют металлический блеск, хорошо проводят тепло и электричество. Среди них есть как мягкие (например, щелочные металлы (литий (Li))), так и твёрдые (например, хром (Cr) и титан (Ti)).

Неметаллы

Кислород О₂

Неметаллы — химические элементы, которые образуют простые вещества без физических свойств металлов. Они могут находиться в различных состояниях: быть газами (гелий, водород, кислород, азот, хлор), жидкостями (бром) или твёрдыми веществами (сера, углерод, кристаллический йод).

Сложные вещества

Сложные неорганические вещества делят на оксиды, кислоты, основания, соли.

Оксиды

Сложные вещества состоят из двух химических элементов, один из которых — кислород в степени окисления -2.

Оксид магния MgO

Оксиды — класс неорганических соединений, которые широко распространены в природе. Примером такого соединения может служить кварц SiO₂. Оксиды также содержатся в большинстве руд чёрных металлов, например, в красном железняке Fe₂O₃ и магнитном железняке Fe₃O₄.

Оксиды бывают трех типов: твёрдые, жидкие и газообразные.

Солеобразующие оксиды делятся на три группы: основные, кислотные и амфотерные.

Основные оксиды имеют степень окисления I—II; кислотные — V—VII; амфотерные — III—IV (за исключением оксида цинка ZnO, оксида бериллия BeO, оксида олова (II) SnO, оксида свинца (II) PbO).

Кислоты

Соляная кислота

Кислоты — сложные вещества, молекулы которых содержат атомы водорода, способные замещаться на металл, и кислотный остаток (например, соляная кислота HCl).

Существует несколько способов классификации кислот:

• по содержанию кислорода (бескислородные и кислородсодержащие);
• по количеству атомов водорода (одноосновные, двухосновные, трехосновные, многоосновные);
• по силе (сильные и слабые);
• 

  Серная кислота
  по устойчивости (устойчивые и неустойчивые);
• по летучести (летучие, нелетучие);
• по растворимости в воде (растворимые и нерастворимые).

Основания

Основания — сложные вещества, состоящие из ионов металлов и связанных с ними гидроксид-ионов. Они могут быть как бинарными соединениями (например, вода H₂O), так и сложными веществами, в состав которых входят металл, кислород и водород (например, гидроксид калия KOH). Названия оснований образуются путем добавления слова «гидроксид» к названию металла в родительном падеже.

Основания делятся на две группы по отношению к воде:

• растворимые — называются щелочами (например, гидроксид натрия (NaOH), гидроксид кальция Ca(OH)₂, гидроксид калия KOH, гидроксид бария Ba(OH)₂;
• нерастворимые — гидроксид меди (II) Cu(OH)₂, гидроксид железа (II) Fe(OH)₂).

Соли

Хлорид натрия NaCl

Соли — сложные вещества, состоящие из ионов металлов и кислотных остатков (например, сульфат кальция CaSO₄), которые получаются при замещении атомов водорода в кислоте на ионы металла. Названия солей формируются из двух слов: название иона, образованного кислотным остатком, в именительном падеже и название иона металла — в родительном.

Соли по растворимости в воде делят на:

• растворимые;
• нерастворимые;
• малорастворимые.

Растворимость солей определяют по таблице «Растворимость оснований, кислот и солей в воде».

Существуют различные типы солей:

• кислые соли (продукты неполного замещения атомов водорода в кислоте на металл), например, гидросульфат калия KHSO₄;
• основные соли (продукты неполного замещения гидроксогрупп в основании на кислотный остаток), например, гидроксохлорид магния Mg(OH)Cl ;

• средние соли (все атомы водорода в молекулах кислоты замещены на атомы металла), например, сульфат калия K₂SO₄;
• двойные соли (в их состав входит комплексный катион или комплексный анион), например, гексацианоферрат калия K₄[Fe(CN)₆] .

Литература

1. Глинка Н. Л. Общая химия: учебное пособие для СПО. — М.: КноРус, 2019. — 360 c.
2. Глинка Н. Л. Общая химия: учебное пособие для вузов / под ред. А. И. Ермакова. — М.: Интеграл-Пресс, 2003. — 728 с.
3. Карапетьянц М. Х. Общая и неорганическая химия: учебник / под ред. М. Х. Карапетьянц, С. И. Дракин. — М.: Ленанд, 2018. — 600 c.
4. Общая химия. Учебник / под ред. С. Ф. Дунаева. — М.: Academia, 2017. — 160 c.
5. Общая и неорганическая химия: учебное пособие / под ред. В. В. Денисова, В. М. Таланова. — Рн/Д: Феникс, 2018. — 144 c.

Примечания

Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!