Неорганическая химия, наука о химических элементах и образуемых ими простых и сложных веществах, за исключением органических соединений.
Понятие "неорганическая химия" (минеральная химия) появилось первоначально для обозначения веществ минерального происхождения.
Основные задачи современной Неорганической химии: изучение строения, свойств и химических реакций простых веществ и соединений, взаимосвязи строения со свойствами и реакционной способностью веществ, разработка методов синтеза и глубокой очистки веществ, общих методов получения неорганических материалов.
Важнейшие разделы неорганической химии - теоретическая, синтетическая и прикладная неорганическая химия. По изучаемым объектам ее подразделяют на химию отдельных элементов, химию групп элементов в составе периодической системы (химия щелочных металлов, щелочноземельных элементов, галогенов, халькогенов и др.), химию определенных соединений тех или иных элементов (химия силикатов. пероксидных соединений и др.), химию элементов, объединенных в группы по исторически сложившимся признакам (например, химия редких элементов), химию близких по свойствам и применению веществ (химия тугоплавких веществ, интерметаллидов, полупроводников, энергонасыщенных соединений, благородных металлов, неорганических полимеров и др.). Самостоятельный раздел неорганической химии - координационная химия, или химия координационных соединений. Нередко обособляют химию переходных элементов.
Границы между неорганической химией и другими химическими науками часто условны или неопределенны. Одни и те же вещества или реакции могут быть объектами исследования различных химических дисциплин.
Как и многие другие химические науки, неорганическая химия неразрывно связана с физической химией, которая может считаться теоретической и методологической основой современной химии, с аналитической химией - одним из главных инструментов химии.
Неорганическая химия отчасти пересекается с органической химией, особенно с химией металлоорганических соединений, бионеорганической химией и др.
Прикладная часть неорганической химии связана с химической технологией, металлургией, галургией, электроникой, с добычей полезных ископаемых, производством керамики, строительных, конструкционных, а также оптических и других неорганических материалов, с обеспечением работы энергетических установок (например, АЭС), с сельским хозяйством, с обезвреживанием промышленных отходов, охраной природы и др.
История развития неорганической химии
История неорганической химии тесно связана с общей историей химии, а вместе с ней - с историей естествознания и историей человеческой цивилизации. Составные разделы истории неорганической химии - история открытия химических элементов, история формирования основных понятий о веществе, история открытия и развития законов химии, в частности периодического закона Менделеева.
Все основные периоды развития общей химии (древнейший, алхимии, ятрохимии, возникновения технической химии, классичесской химии, современный) - это и периоды развития неорганической химии в ее современном понимании.
В начале 16 в. возникло направление в алхимии и медицине - ятрохимия (от греч. iatros-врач и химия; химиатрия, иатрохимия), отводившее основную роль в возникновении болезней нарушениям химических процессов в организме человека и ставившее задачу отыскания и приготовления химических средств их лечения. Основатель ятрохимии - Парацельс - ввел в медицинскую практику препараты ртути, серебра, золота и других металлов. Ятрохимия утратила свое значение в нач. 18 в.
В период возникновения технической химии (17 в. - 1-я половина 18 в.) установлено существование фосфора, кобальта, платины и никеля. Были созданы производства азотной, соляной и серной кислот, различных солей (поваренная соль, квасцы, бура, нашатырь, сульфат цинка), минеральных красителей, керамики.
Начало 18 в. связано с распространением теории флогистона - некоего вещества, якобы выделяемого при горении. Эта ошибочная теория оказала положительное влияние на развитие химии, впервые позволив рассматривать различные химические процессы с одной общей точки зрения.
Во 2-й половине 18 в. химико-аналитическими методами были открыты барий, марганец, молибден и другие металлы, теллур, с помощью электричества была разложена вода, обнаружены первые газообразные простые вещества - водород, азот, хлор и кислород.
М.В.Ломоносов и А.Лавуазье сформулировали закон сохранения массы при химических реакциях. Лавуазье показал несостоятельность теории флогистона, дал определение химического элемента (вещество, которое не может быть разложено химическими способами), предложил впервые перечень известных тогда химических элементов. Принципы химической номенклатуры этого периода в основном сохранились до нашего времени.
На основе работ Л.Гальвани и А.Вольта был открыт электрохимический ряд напряжений металлов.
В начале 19 в. зародилась классическая химия. В 1-й половине 19 в. были найдены основные количественные законы химии. Ж.Пруст открыл закон постоянства состава вещества (который стал общепринятым после длительного спора с К.Бертолле). Дж.Дальтон в 1802 суммировал идеи других ученых на качественно ином уровне и сформулировал близкую к современной концепцию атомистической природы веществ, а на ее основе - кратных отношений закон, ввел понятие атомной массы.
Этапными для развития неорганической химии явились работы И.Берцелиуса, который в 1814 опубликовал таблицу атомных масс. А.Авогадро и Ж.Гей-Люссак открыли газовые законы, П.Дюлонг и А.Пти нашли правило, связывающее теплоемкость с числом атомов в соединении, Г.И.Гесс - закон постоянства количества теплоты (см. Гесса закон). Возникла атомно-молекулярная теория.
В 1807 Г.Дэви электрохимически разложил гидроксиды натрия и калия и ввел в практику новый метод выделения простых веществ; в 1834 М.Фарадей опубликовал основные законы электрохимии (см. Фарадея законы).
2-я половина - конец 19 в. ознаменовались обособлением физической химии. К.Гульдберг и П.Вааге сформулировали действующих масс закон. Работы С.Аррениуса, Я.Вант-Гоффа, В.Оствальда положили начало теории растворов.
К конце 1860-х гг. стало известно 63 химических элемента и большое число разнообразных химических соединений, однако научная классификация элементов отсутствовала. Основой для систематики явился периодический закон Менделеева, с помощью которого были исправлены атомные массы многих элементов и предсказаны свойства неизвестных в то время веществ. Последовавшие открытия галлия (П.Э.Лекок де Буабодран, 1875), скандия (Л.Нильсон, 1879), германия (К.А.Винклер, 1886), лантаноидов, благородных газов (У.Рамзай, 1894-98), первых радиоактивных элементов - полония и радия (М.Склодовская-Кюри, П.Кюри, 1898) блестяще подтвердили периодический закон. При получении астата, актиноидов, курчатовия, нильсбория и элементов с атомными номерами 106 и выше этот закон был использован на практике. Приоритет Менделеева в открытии периодического закона, некоторое время оспаривавшийся Л.Мейером, был закреплен в названии одного из искусственных элементов (менделевия).
Теория строения атома (Э.Резерфорд, 1911; Н.Бор, 1913), введение понятия атомного номера (Г.Мозли, 1914) позволили дать периодическому закону физическое обоснование.
В 1893 А.Вернер высказал идею пространственного строения комплексных соединений металлов, создал основы классификации координационных соединений.
Позднее в неорганической химии стали использоваться такие понятия, как введенная Л.Полингом электроотрииательность, ионные и ковалентные радиусы (см. Атомные радиусы), степень окисления, кислоты и основания по Бренстеду и по Льюису (см. Кислоты и основания). В 1927 И.И.Черняев открыл явление трансвлияния в комплексных соединениях. Достижения русской и совтской школы химии комплексных соединений (Н.С.Курнаков, Л.А.Чугаев, И.И.Черняев, О.Е.Звягинцев, А.А.Гринберг) были положены в основу методов аффинажа благородных металлов. Современный период неорганической химии отличается расширением ее теоретической базы, резким увеличением количества изучаемых объектов, применением физических, особенно спектроскопических, методов исследования и анализа, увеличением числа используемых сложных методов синтеза.
Химия большинства элементов в 20 в. интенсивно развивалась, однако некоторые области неорганической химии прогрессировали особенно быстро. Появились и новые быстро растущие направления. Химия редких металлов начала выделяться в самостоятельный раздел неорганической химии в 30-х гг. благодаря зарождению производства редких металлов и росту их потребления, комплексному характеру многих видов природного сырья и общности техноллогических операций переработки сырья (см. Гидрометаллургия). Появление атомной энергетики, авиационно-космической промышленности и электроники повысили роль этой области неорганической химии
Химия галогенов, особенно фтора, получила мощный импульс развития во 2-й половине 20 в. в связи с развитием металлургии, атомной и ракетной техники, производств органических веществ, полупроводников и других материалов. Заметному увеличению числа исследований неорганических фторидов способствовало открытие в 1962 фторидов благородных газов. В 70-80-х гг. расширилось применение атомарных и ионизированных галогенов, каталитических реакций галогенирования. Многообразие соединений галогенов и широкий диапазон их свойств сделали эти соединения удобными объектами для изучения основных задач неорганической химии.
Несмотря на то, что уран известен с конца 18 в., химия актиноидов приобрела самостоятельное значение только в 40-х гг. 20 в., когда стали проводиться работы по созданию ядерного оружия. Начиная с 60-х гг. первенство в прикладных исследованиях принадлежит проблемам ядерного топлива. Большая часть актиноидов получена искусственным путем (Г.Сиборг, Г.Н.Флеров и др.). Особенность химии актиноидов заключается в трудности выделения многих из них в больших количествах из-за их радиоактивности. Для получения актиноидов разработаны специальные методы синтеза и очистки, созданы микрометоды неорганической химии и методы дистанционного управления процессами. Появилось понятие "ядерной чистоты" материалов, способы контроля чистоты продуктов.
Начало 2-й половины 20 в. связано с возникновением химии полупроводников (см. Полупроводники, Полупроводниковые материалы), а несколько более позднее время - с развитием планарной технологии интегральных схем. Перед неорганической химией возникли задачи получения особо чистых веществ, что потребовало резкого улучшения методов очистки и анализа. Инструментальные методы анализа в этой области неорганической химии полностью вытеснили традиционные.
В связи с развитием ракетно-космической техники, а, также химических источников тока во 2-й половине 20 в. самостоятельное значение стала приобретать химия энергонасыщенных соединений - сильнейших окислителей и восстановителей. Позже все большее внимание стало уделяться твердым источникам (аккумуляторам) различных газов - кислорода, (см. Пиротехнические источники газов), водорода (см. Водородная энергетика), фтора и др. - для топливных элементов, газовых лазеров, систем жизнеобеспечения космических станций и кораблей.
Химия РЗЭ (см. Редкоземельные элементы) близка к химии некоторых редких металлов и химии актиноидов, что связано с определенными аналогиями в электронном строении и химических свойствах всех этих элементов и определяет их совместное присутствие в некоторых природных источниках. Уникальные свойства РЗЭ были изучены и реализованы лишь начиная с 60-70-х гг. Особенностью этих элементов является близость их химических и многих физических свойств, что привело к необходимости преодоления трудностей при выделении, глубокой очистке и определении индивидуальных элементов. Интерес к этой области неорганической химии возрастает в связи с открытием высокотемпературных оксидных сверхпроводников.
Химия благородных газов зародилась в 1962, когда Н.Бартлетт получил первое химическое соединение ксенона - XePtF6. Ныне известны криптона дифторид, ксенона фториды, а также фториды радона, оксиды и хлориды ксенона, ксенаты и перксенаты, многочисленные комплексные соединения, содержащие ксенон и криптон. Многие соединения благородных газов могут быть получены только в условиях физического активирования реагентов; являются термодинамически неустойчивыми веществами и сильнейшими окислителями, поэтому развитие этого раздела неорганической химии потребовало разработки специфических методов синтеза и исследований. Открытие соединений благородных газов имело принципиальное значение и привело к видоизменению периодической таблицы химических элементов - исключению "нулевой" группы и размещению благородных газов в VIII группе.
В 70-х гг. новый импульс развития получила химия гидридов, особенно гидридов металлов и интерметаллических соединений (см. Гидриды), в связи с перспективой их использования как источников топлива для автономных энергосистем.
Химия твердого тела, переживающая с 60-70-х гг. период бурного развития, способствовала ускорению разработки многих ключевых для неорганической химии вопросов. Среди этих вопросов - природа нестехиометрических (см. Нестехиометрия) и аморфных (см. Аморфное состояние) веществ, влияние незначительных изменений состава кристаллов на их свойства и др. В неорганической химии большое внимание уделяется неорганическим материалам - сформировались такие области неорганической химии, как химия материалов для электроники, формируется направление, связанное с химическими сенсорами.
Открытие, сделанное в 1986 И.Беднорцем и К.Мюллером, положило начало еще одной области неорганической химии и химии твердого тела, химии высокотемпературных сверхпроводников (см. Сверхпроводники).
Теоретическая неорганическая химия
Этот раздел неорганической химии рассматривает вопросы химической связи в неорганических веществах, структуры веществ, их свойства и реакционную способность. Основными в неорганической химии являются периодический закон, закон постоянства состава веществ и др. Однако ключевой проблемой сейчас является природа химической связи. В неорганических веществах встречаются все виды химической связи - ковалентная, ионная и металлическая. Теория химической связи, в частности, рассматривает вопросы природы связи, ее энергии, длины, полярности. Наибольшее распространение получили молекулярных орбиталей методы, наряду с которыми используют валентных связей метод, кристаллического поля теорию и др. Для неорганической химии особенно актуально приложение методов молекулярных орбиталей к твердым телам.
Большое значение придается спектрам в электромагнитном диапазоне (для определения структуры веществ) и магнитным свойствам веществ (в целях создания магнитных материалов). Теоретическая неорганическая химия активно использует методы химической термодинамики и химической кинетики.
Теоретическая неорганическая химия изучает также закономерности образования дефектов кристаллической решетки, влияние дефектов на свойства веществ, исследует кинетику твердофазных процессов.
Некоторые вопросы, разрабатываемые теоретической неорганическая химия, являются одновременно и проблемами физики и физической химии. Например, квантово-химическое описание электронной конфигурации атомов и ионов, проблемы происхождения химических элементов и их превращений в космосе, создание теории высокотемпературной сверхпроводимости и др.
Методы синтеза неорганических соединений
Физические и химические свойства, а также реакционная способность простых веществ и неорганических соединений изменяются в очень широких пределах. Поэтому для синтеза неорганических веществ используют широкий набор различных методов (см. Неорганический синтез). В общем виде простейший синтез включает смешение реагентов, активацию смеси, собственно химическую реакцию, выделение из нее целевого продукта и очистку последнего.
Многие методы синтеза специфичны. При получении тугоплавких соединений и материалов применяют методы порошковой технологии (см. Порошковая металлургия), реакции спекания и химического осаждения из газовой фазы. Сферически однородные частицы порошков получают плазменной обработкой или с помощью золь-гель процессов. Разработаны специальные методы выделения веществ в виде монокристаллов (см. Монокристаллов выращивание), монокристаллических пленок, в т.ч. эпитаксиальных (см. Эпитаксия), и нитевидных кристаллов, волокон, а также в аморфном состоянии. Некоторые реакции проводят в условиях горения, например синтез тугоплавких соединений из смеси порошков простых веществ (см. Горение, Самораспространяющийся высокотемпературный синтез). Все более широкое применение в неорганическом синтезе находит криогенная техника (см. Криохимия).
Прикладная неорганическая химия
Еще в 18 в. установилась тесная связь между неорганической химией и ремеслами - основой зарождавшейся промышленности. Позднее неорганическая химия стала научной базой многих производств, определяющих уровень промышленного развития отдельных стран и всего человечества.
Прикладной частью неорганической химии традиционно считается технология неорганических веществ. Она связана с крупномасштабными производствами серной, соляной, фосфорной, азотной кислот, соды, аммиака, хлора, фтора, фосфора, а также солей натрия, калия, магния и др. (см. Галургия), диоксида углерода, водорода, различных минеральных удобрений и многих других веществ. Большая часть этих продуктов потребляется другими химическими производствами, металлургией и при получении конструкционных материалов.
Прикладная неорганическая химия играет существенную роль в развитии важнейших отраслей народного хозяйства. Так, в машиностроении и строительстве широко используют материалы, получаемые из минерального сырья химическими методами. Это, например, металлы и сплавы, минеральные красители, твердые сплавы для режущего инструмента.
В таких отраслях промышленности, как электроника, электротехника, приборостроение, применение новых неорганических материалов позволяет повысить технологический уровень производства и выпускаемых товаров. Примерами являются вещества и материалы для интегральных схем, телевизионных экранов, люминесцентных ламп, лазеров на кристаллах, волоконных световодов, сверхпроводниковых и магнитных устройств.
В энергетике, помимо применения тугоплавких, жаростойких и жаропрочных конструкционных материалов, достижения неорганической химии используются также для производства активных веществ и электролитов в химических источниках тока, высокотемпературных электролитов, в ядерном реактостроении, ядерной энергетике и производстве материалов для них (ядерного топлива, замедлителей нейтронов, конструкц. материалов). Развивается производство материалов для прямого преобразования солнечной и тепловой энергии в электрическую, материалов для МГД-генераторов, для преобразования, хранения и транспортирования энергии, в перспективе - для термоядерных реакторов. Создаются также термохимические циклы разложения воды, которые могут быть использованы в водородной энергетике.
Для сельского хозяйства ведется производство минеральных удобрений и кормовых добавок, некоторых видов пестицидов и консервантов кормов.
Возрастает роль неорганической химии в решении проблем охраны окружающей среды и рационального природопользования. Все более глубоко и полно исследуется поведение различных веществ в природе, природные круговороты веществ, влияние хозяйственной деятельности человека на эти процессы. Разрабатываются новые технологические процессы, позволяющие снизить уровень нарушения экологического равновесия в природе, сохранить природные ландшафты при добыче и переработке полезных ископаемых (например, в результате применения подземного выщелачивания). Решаются задачи резкого уменьшения потребления воды в промышленности, снижения количества отходов (см. Безотходные производства), повышения комплексности использования минерального сырья, более полного использования вторичных ресурсов. См. также Охрана природы.
Методы неорганической химии и химической технологии применяют для ликвидации вредных выбросов в различных отраслях производства (например, в энергетике при сжигании угля), для превращения отходов других отраслей в полезные продукты. Примерами являются изготовление строительных материалов из металлургических шлаков, промышленная переработка отработанного ядерного топлива.
Лит.: Менделеев Д.И., Основы химии, 13 изд., т. 1-2, М.-Л., 1947; Некрасов Б.В., Основы общей химии, 3 изд., т. 1-2, М., 1973; Реми Г., Курс неорганической химии, т. 1-2, М., 1972-74; Джуа М., История химии, пер. с итал., М., 1975; Дей М.К., Селбин Дж., Теоретическая неорганическая химия, пер. с англ., М., 1976; Полинг Л., Полинг П., Химия, пер. с англ., М., 1978; Коттон Ф., Уилкинсон Дж., Основы неорганической химии, пер. с англ., М., 1979; Карапетьянц М.X., Дракин С.И., Общая и неорганическая химия, М., 1981; Штрубе В., Пути развития химии, т. 1-2, пер. с нем., М., 1984; Хьюи Дж., Неорганическая химия. Строение вещества и реакционная способность, пер. с англ., М., 1987; Williams A.F., A theoretical approach to inorganic chemistry, В., 1979; Anorganische Chemie, Bd 1-2, В., 1980; Holleman A.F., Wiberg E., Lehrbuch der anorganischen Chemie, B.-N.Y., 1985.
