La química inorgánica es una rama de la química asociada con el estudio de la estructura, reactividad y propiedades de todos los elementos químicos y sus compuestos inorgánicos . Esta área cubre todos los compuestos químicos, con la excepción de las sustancias orgánicas (la clase de compuestos que incluyen el carbono , con la excepción de algunos compuestos simples, generalmente relacionados con los inorgánicos [1] ). Las diferencias entre compuestos orgánicos e inorgánicos que contienen carbono son, según algunas ideas, arbitrarias [2] . Química Inorgánicaestudia los elementos químicos y las sustancias simples y complejas que forman (excepto los compuestos orgánicos). Proporciona la creación de materiales de última tecnología. El número de sustancias inorgánicas conocidas en 2013 es cercano a las 500 mil.
La base teórica de la química inorgánica es la ley periódica y el sistema periódico basado en ella D. I. Mendeleev . La tarea más importante de la química inorgánica es desarrollar y fundamentar científicamente métodos para crear nuevos materiales con las propiedades requeridas por la tecnología moderna.
Históricamente, el nombre de química inorgánica proviene de la idea de una parte de la química que se ocupa del estudio de los elementos, compuestos y reacciones de las sustancias que no están formadas por los seres vivos. Sin embargo, desde la síntesis de la urea a partir del compuesto inorgánico cianato de amonio (NH 4 OCN), realizada en 1828 por el destacado químico alemán Friedrich Wöhler , los límites entre las sustancias inanimadas y las vivas se han desdibujado. Así, los seres vivos producen muchas sustancias inorgánicas. Por otro lado, casi todos los compuestos orgánicos se pueden sintetizar en el laboratorio. Sin embargo, la división en diferentes áreas de la química es relevante y necesaria, como antes, ya que los mecanismos de reacción, la estructura de las sustancias en química inorgánica y orgánica son diferentes. Esto facilita la sistematización de los métodos y métodos de investigación en cada una de las industrias.
La Tabla Periódica de los Elementos Químicos ( Tabla de Mendeleev ) es una clasificación de los elementos químicos que establece la dependencia de varias propiedades de los elementos sobre la carga del núcleo atómico . El sistema es una expresión gráfica de la ley periódica , establecida por el químico ruso D. I. Mendeleev en 1869 . Su versión original fue desarrollada por D. I. Mendeleev en 1869-1871 y estableció la dependencia de las propiedades de los elementos de su peso atómico (en términos modernos, de la masa atómica ). En total, se han propuesto varios cientos [3] de variantes de representación del sistema periódico (curvas analíticas, tablas, figuras geométricas, etc.). En la versión moderna del sistema, se supone que los elementos se reducen a una tabla bidimensional, en la que cada columna ( grupo ) determina las principales propiedades físicas y químicas, y las filas representan períodos que son similares entre sí a un cierto punto.
Consisten en átomos de un elemento químico (son una forma de su existencia en estado libre). Dependiendo de cuál sea el enlace químico entre los átomos, todas las sustancias simples en química inorgánica se dividen en dos grupos principales: metales y no metales . Los primeros se caracterizan, respectivamente, por un enlace metálico , mientras que los segundos son covalentes . Sin embargo, vale la pena señalar que las sustancias simples antes mencionadas no tienen diferencias radicales y significativas entre sí. También se distinguen dos grupos adyacentes: sustancias similares a metales y no similares a metales. Está el fenómeno de la alotropía , que consiste en la posibilidad de formación de varios tipos de sustancias simples a partir de átomos de un mismo elemento; cada uno de estos tipos se denomina modificación alotrópica. Si este fenómeno se debe a una composición molecular diferente, entonces se define como la alotropía de la composición; si por el método de ordenar moléculas y átomos en cristales, entonces como una alotropía de forma.
Metales (del lat. metallum - mina, mina) - un grupo de elementos con propiedades metálicas características , como alta conductividad térmica y eléctrica , coeficiente de resistencia de temperatura positivo , alta ductilidad y brillo metálico. De los 118 [4] elementos químicos descubiertos hasta el momento (no todos son reconocidos oficialmente), los metales incluyen:
Así, 96 de todos los elementos descubiertos pertenecen a los metales.
Debido a las peculiaridades del enlace atómico metálico (a saber, insaturación y no direccionalidad), los metales se caracterizan por tener las redes de coordinación más densas. Los más típicos para ellos son las redes cristalinas cúbicas centradas en las caras, cúbicas centradas en el cuerpo y hexagonales . Además, debido a la proximidad energética de las redes, muchos metales exhiben polimorfismo .
Los no metales son elementos químicos con propiedades típicamente no metálicas que ocupan la esquina superior derecha de la Tabla Periódica . En forma molecular, el nitrógeno , el oxígeno y el azufre se presentan como sustancias simples en la naturaleza . Más a menudo, los no metales se encuentran en una forma químicamente unida: estos son agua , minerales , rocas , varios silicatos , fosfatos , boratos . En términos de prevalencia en la corteza terrestre, los no metales difieren significativamente. Los más comunes son el oxígeno , el silicio , el hidrógeno ; los más raros son arsénico , selenio , yodo . Un rasgo característico de los no metales es un número mayor (en comparación con los metales ) de electrones en el nivel de energía externa de sus átomos . Esto determina su mayor capacidad para agregar electrones adicionales y exhibir una mayor actividad oxidativa que los metales. Los no metales también incluyen hidrógeno y helio .
Por la cantidad de elementos que componen la sustancia, los compuestos binarios, de tres elementos, etc., difieren.
Compuestos BinariosLos compuestos binarios son compuestos que consisten en átomos de dos elementos. Su clasificación también se realiza en función del tipo de enlace químico; emiten compuestos iónicos , covalentes, metálicos, y también se caracterizan por un tipo de enlace mixto. Sus propiedades químicas varían según la naturaleza química de los elementos particulares: los compuestos que contienen elementos metálicos se caracterizan por propiedades básicas, mientras que los compuestos de elementos no metálicos exhiben propiedades ácidas.
Compuestos de tres elementosLos compuestos de tres elementos son los compuestos más simples en composición, que se forman durante la interacción de, por regla general, compuestos binarios que difieren significativamente entre sí en la naturaleza química. Desde el punto de vista del enlace químico, se dividen en iónicos, covalentes e iónico-covalentes. Dependiendo de la estabilidad de los iones de su esfera exterior, la estabilidad de los complejos aniónicos varía, lo que, a su vez, afecta las propiedades del compuesto y el grado de similitud con uno binario.
Si los compuestos que interactúan difieren poco entre sí en la naturaleza química, como resultado surgen variedades especiales de sustancias: compuestos mixtos, soluciones sólidas y eutécticos . Los primeros de ellos son los polímeros , que son producto de la interacción de compuestos de elementos que son igualmente propensos a la formación de complejos (por ejemplo, el óxido de aluminio y el óxido de magnesio ), los segundos se forman si los elementos electropositivos pueden formar unidades estructurales similares (que es decir, no tienen diferencias fundamentales en partes de la estructura, tamaño y estabilidad), y las terceras son el resultado de la interacción de compuestos de tales elementos que son químicamente cercanos entre sí, pero difieren en la estructura o tamaño de los átomos. . En el último caso, la interacción química, estrictamente hablando, no ocurre en absoluto: aparece un conglomerado mecánico de cristales.
La mayoría de las sustancias inorgánicas complejas (es decir, formadas por dos o más elementos químicos) se pueden dividir en los siguientes grupos:
El óxido ( óxido , óxido ) es un compuesto binario de un elemento químico con oxígeno en el estado de oxidación −2, en el que el oxígeno mismo está asociado solo con un elemento menos electronegativo . El elemento químico oxígeno es el segundo en electronegatividad después del flúor , por lo tanto, casi todos los compuestos de elementos químicos con oxígeno pertenecen a los óxidos. Las excepciones incluyen, por ejemplo, difluoruro de oxígeno OF2 . Los óxidos son un tipo muy común de compuestos que se encuentran en la corteza terrestre y en el universo en general. Ejemplos de tales compuestos son el óxido , el agua , la arena , el dióxido de carbono y varios tintes. Los óxidos son una clase de minerales , que son compuestos de un metal con oxígeno.
Dependiendo de las propiedades químicas, hay:
Las sales son una clase de compuestos químicos que incluyen sustancias que consisten en cationes metálicos (o cationes de amonio ; se conocen sales de fosfonio o hidroxonio ) y aniones de un residuo ácido. Tipos de sal:
Un grupo especial está formado por sales de ácidos orgánicos, cuyas propiedades difieren significativamente de las de las sales minerales. Algunos de ellos se pueden atribuir a una clase especial de sales orgánicas, los llamados líquidos iónicos o, en otras palabras, "sales líquidas", sales orgánicas con un punto de fusión inferior a 100 ° C.
FundacionesLas bases son una clase de compuestos químicos:
Los ácidos son sustancias complejas , que normalmente incluyen átomos de hidrógeno que pueden ser reemplazados por átomos metálicos y un residuo ácido . Las soluciones acuosas de ácidos tienen un sabor agrio, tienen un efecto irritante, son capaces de cambiar el color de los indicadores y difieren en una serie de propiedades químicas comunes.
Además de la división en ácidos de Lewis y ácidos de Bronsted, estos últimos suelen clasificarse según varios criterios formales:
También se pueden distinguir los siguientes grupos de sustancias inorgánicas: carburos , nitruros , hidruros , compuestos intermetálicos y otras que no encajan en la clasificación anterior (para más detalles, véase Sustancia inorgánica ).
CarburosLos carburos son compuestos de metales y no metales con carbono . Tradicionalmente, los carburos incluyen compuestos en los que el carbono tiene una electronegatividad mayor que el segundo elemento (por lo tanto, los compuestos de carbono como óxidos, haluros y similares están excluidos de los carburos). Los carburos son sólidos refractarios: los carburos de boro y silicio (B 4 C y SiC), titanio , tungsteno , zirconio (TiC, WC y ZrC, respectivamente) tienen una gran dureza, resistencia al calor e inercia química.
Los carburos se dividen en los siguientes tipos: similares a la sal ( CaC 2 , Al 4 C 3 ); covalente ( carborundo SiC); similar a un metal (que tiene una composición no estequiométrica, por ejemplo, cementita (Fe 3 C)).
NitrurosLos nitruros son compuestos de nitrógeno con menos elementos electronegativos , por ejemplo, con metales (AlN; TiN x ; Na 3 N; Ca 3 N 2 ; Zn 3 N 2 ; etc.) y con varios no metales ( NH 3 , BN , Si 3N4 ) ._ _ Los compuestos de nitrógeno con metales suelen ser refractarios y estables a altas temperaturas, como el elbor . Los recubrimientos de nitruro dan a los productos dureza, resistencia a la corrosión; se utilizan en la energía y la tecnología espacial.
HidrurosLos hidruros son compuestos de hidrógeno con metales y con no metales que tienen una electronegatividad más baja que el hidrógeno . A veces, los hidruros incluyen compuestos de todos los elementos con hidrógeno . Los más comunes son los hidruros binarios. Se dividen en tres tipos según la naturaleza del enlace en el compuesto: iónicos (hidrógeno y metales alcalinos o alcalinotérreos), metálicos (metales de transición o hidruros de tierras raras) y covalentes (moleculares) (hidruros no metálicos o Al, Be, Sn, Sb, As, Te, Ge) [6] .
IntermetálicosLos compuestos metálicos, o compuestos intermetálicos, son una de las cuatro opciones básicas para la interacción entre metales (las otras tres son la ausencia total de cualquier influencia, la disolución mutua en estado líquido y la formación de eutécticos en estado sólido, así como la formación de soluciones líquidas y sólidas de cualquier composición). A diferencia de, por ejemplo, las soluciones sólidas, los compuestos intermetálicos se caracterizan por una estructura cristalina compleja, a diferencia de la estructura de las sustancias originales; del mismo modo, pueden desarrollar características físicas o químicas que no se encuentran en sus constituyentes puros. En general, los compuestos intermetálicos se caracterizan por una amplia variedad de estructuras cristalinas y tipos de enlaces químicos, lo que, a su vez, es la razón de la amplia gama de sus posibles propiedades físicas y químicas.
Los intermetálicos, como otros compuestos químicos, tienen una proporción fija entre los componentes. Los compuestos intermetálicos tienen, por regla general, alta dureza y alta resistencia química. Muy a menudo, los compuestos intermetálicos tienen un punto de fusión más alto que los metales originales. Casi todos los compuestos intermetálicos son frágiles, ya que el enlace entre los átomos en la red se vuelve covalente o iónico (por ejemplo, en el auriro de cesio CsAu), en lugar de metálico. Algunos de ellos tienen propiedades semiconductoras , y cuanto más cercana es la relación de elementos a la estequiometría, mayor es la resistencia eléctrica. El niqueluro de titanio, conocido bajo la marca " nitinol ", tiene memoria de forma: después del endurecimiento, el producto puede deformarse mecánicamente, pero tomará su forma original con un poco de calentamiento.
Hasta principios del siglo XX, la posición sobre la constancia de la composición de ciertas sustancias, expresada y formulada por primera vez un siglo antes, se consideraba axiomática. El enunciado en cuestión se denominó igualmente ley de constancia de la composición , y la propiedad correspondiente de las sustancias se denominó estequiometría. Posteriormente, estudios realizados por el científico N. S. Kurnakov demostraron que también existen compuestos de composición variable, es decir, no estequiométricos, y al mismo tiempo se caracterizan por un grado de prevalencia bastante elevado en la naturaleza. N. S. Kurnakov también propuso llamar a los compuestos de composición constante daltónidos y bertólidos variables .
Hasta cierto punto, una composición variable es característica de aquellas sustancias en las que se observa una estructura atómica o iónica. En este caso, pueden aparecer varios tipos de defectos en el cristal, ya sea una falta de átomos en ciertos sitios o un exceso de ellos en los espacios entre los sitios. Por ejemplo, una clara característica no estequiométrica del óxido de hierro y el sulfato (II) . Hay ciertos límites dentro de los cuales las desviaciones de la composición estequiométrica se consideran aceptables; el rango correspondiente se denomina región de homogeneidad. A su vez, las sustancias con estructura molecular tienen una composición constante; sin embargo, debe notarse que hasta el 95% de las sustancias inorgánicas no tienen tal estructura y, por lo tanto, no son estequiométricas. El predominio a largo plazo de las ideas sobre la constancia de la composición se explica por el hecho de que a menudo los cambios no son lo suficientemente significativos para su detección en el curso del análisis químico .
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