Hóa học vô cơ

Hóa học vô cơ liên quan đến tổng hợp và hành vi của các hợp chất vô cơ và cơ kim. Lĩnh vực này bao gồm tất cả các hợp chất hóa học ngoại trừ vô số hợp chất hữu cơ (chứa liên kết CH), là đối tượng của hóa học hữu cơ. Sự khác biệt giữa hai lĩnh vực không tuyệt đối, do có nhiều sự chồng chéo trong các phân nhánh hóa học. Nó có ứng dụng rộng rãi trong mọi khía cạnh của ngành hóa học, bao gồm xúc tác, khoa học vật liệu, chất màu, chất bề mặt hoạt động, lớp phủ, thuốc, nhiên liệu và nông nghiệp.

Khái niệm chính

Nhiều hợp chất vô cơ là các hợp chất ion, bao gồm các cation và anion được nối bằng liên kết ion. Ví dụ như muối (là các hợp chất ion) như magiê clorua MgCl ₂, bao gồm cation magiê Mg và anion clorua Cl; hoặc natri oxit Na₂O, bao gồm cation natri Na và anion oxit O. Trong bất kỳ loại muối nào, tỷ lệ của các ion dương và âm làm cho muối là một hợp chất trung hòa điện. Các ion được mô tả bởi trạng thái oxy hóa của chúng và khả năng hình thành của chúng có thể suy ra từ tiềm năng ion hóa (với cation) hoặc từ sức hút electron (anion) của nguyên tố gốc.

Các lớp quan trọng của các hợp chất vô cơ bao gồm các oxit, cacbonat, sulfat và halide. Nhiều hợp chất vô cơ được đặc trưng bởi điểm nóng chảy cao. Muối vô cơ thường là chất dẫn kém ở trạng thái rắn. Các tính chất quan trọng khác bao gồm điểm nóng chảy cao và khả năng tạo tinh thể dễ dàng. Một số muối (như NaCl) rất tan trong nước, trong khi một số khác (ví dụ như FeS) thì không.

Phản ứng vô cơ đơn giản nhất là sự trao đổi ion khi hai muối được pha trộn với nhau, trong đó các ion được trao đổi mà không thay đổi trạng thái oxy hóa. Trong các phản ứng oxy hóa khử, một chất, chất oxy hóa, làm giảm trạng thái oxy hóa của nó và chất phản ứng khác, chất khử, có trạng thái oxy hóa tăng. Kết quả là sự trao đổi electron. Trao đổi electron cũng có thể xảy ra gián tiếp, ví dụ như trong pin, một khái niệm quan trọng trong điện hóa học.

Khi một chất phản ứng chứa các nguyên tử hydrogen, một phản ứng có thể xảy ra bằng cách trao đổi proton trong hóa học axit-base. Trong một định nghĩa rộng hơn, bất kỳ phân tử hóa học nào có khả năng liên kết với cặp electron được gọi là axit Lewis; ngược lại, bất kỳ phân tử nào có xu hướng nhận electron được gọi là base Lewis. Là một sàng lọc của tương tác axit-base, lý thuyết HSAB tính đến độ phân cực và kích thước của các ion.

Các hợp chất vô cơ được tìm thấy tự nhiên dưới dạng khoáng vật. Đất có thể chứa sắt sunfua dưới dạng pyrite hoặc canxi sunfua dưới dạng thạch cao. Các hợp chất vô cơ cũng tồn tại đa dạng dưới dạng phân tử sinh học: qua điện phân (natri clorua), trong các dự trữ năng lượng (ATP) hoặc trong xây dựng (xương sống polyphosphate trong DNA).

Hợp chất vô cơ quan trọng đầu tiên trong sản xuất phân bón là ammoni nitrat thông qua quy trình Haber. Các hợp chất vô cơ được tổng hợp để sử dụng như chất xúc tác như oxit vanadi (V) và clorua titan (III), hoặc làm thuốc thử trong hóa học hữu cơ như hydrit nhôm lithi.

Phân ngành hóa học vô cơ bao gồm hóa học cơ kim, hóa học cụm và hóa học sinh học vô cơ. Những lĩnh vực này là những mảng nghiên cứu tích cực trong lĩnh vực hóa học vô cơ, tập trung vào phát triển các chất xúc tác mới, vật liệu siêu dẫn và ứng dụng y học.

Hóa vô cơ công nghiệp

Hóa vô cơ là một lĩnh vực khoa học có tính ứng dụng cao. Theo truyền thống, sự phát triển kinh tế của một quốc gia có thể được đo bằng năng suất axit sunfuric của họ. 20 sản phẩm hóa chất vô cơ hàng đầu được sản xuất tại các nước như Canada, Trung Quốc, Châu Âu, Ấn Độ, Nhật Bản và Hoa Kỳ (dữ liệu năm 2005) bao gồm nhôm sunfat, ammoni, ammoni nitrat, ammoni sulfat, muối muối, clo, axit hydrochloric, hydro, hydro peroxide, axit nitric, nitơ, oxy, axit phosphoric, natri cacbonat, natri clorat, natri hydroxide, natri silicat, natri sunfat, axit sulfuric và titan dioxide.

Sản xuất phân bón là một ứng dụng thực tế khác của hóa học vô cơ công nghiệp.

Hóa học vô cơ và mô tả

Hóa học vô cơ mô tả tập trung vào phân loại các hợp chất dựa trên tính chất của chúng. Một phần trong việc phân loại là tập trung vào vị trí của nguyên tố nặng nhất trong bảng tuần hoàn (nguyên tố có khối lượng nguyên tử cao nhất) trong hợp chất, và một phần khác là nhóm các hợp chất dựa trên sự tương đồng về cấu trúc của chúng.

Phân loại hóa học vô cơ:

Hợp chất phức

Các phức hợp phối hợp cổ điển liên kết với 'đôi đơn độc' của electron trong nhóm nguyên tử chính của các phối tử như H₂O, NH₃, Cl và CN. Trong các phức hợp phối hợp hiện đại, hầu hết các hợp chất hữu cơ và vô cơ có thể làm phối tử. 'Kim loại' thường là kim loại từ nhóm 3-13 và các nguyên tố lanthan và actini, nhưng từ một góc độ nhất định, tất cả các hợp chất hóa học có thể được mô tả là phức hợp phối hợp.

Cấu trúc tinh thể của các phức hợp phối hợp có thể rất đa dạng, như được minh họa bởi sự phân chia của Werner của hai phối tử đối lập trong [Co((OH)₂Co(NH₃)₄)₃], một minh chứng sớm cho tính không đối xứng của các hợp chất hữu cơ. Một đề tài nổi bật trong lĩnh vực này là hóa học phối hợp siêu phân tử.

Ví dụ: [Co(EDTA)], [Co(NH₃)₆], TiCl₄(THF)₂.

Hợp chất nhóm chính

Các hợp chất này bao gồm các nguyên tố từ các nhóm I, II, III, IV, V, VI, VII, 0 (không tính hydro) trong bảng tuần hoàn. Do tính phản ứng của chúng thường tương đương nhau, các nguyên tố từ nhóm 3 (Sc, Y và La) và nhóm 12 (Zn, Cd và Hg) thường được bao gồm, và đôi khi cả lanthanide và actinide cũng được tính vào.

Các hợp chất nhóm chính đã được biết đến từ khi hóa học bắt đầu, ví dụ như lưu huỳnh và phosphor trắng. Các thí nghiệm về oxy, O₂, của Lavoisier và Priestley không chỉ xác định một loại khí đôi quan trọng, mà còn mở ra cách mô tả các hợp chất và phản ứng hóa học theo tỷ lệ cân bằng. Phát hiện tổng hợp amoniac thực tế với sự trợ giúp của chất xúc tác sắt của Carl Bosch và Fritz Haber vào đầu những năm 1900 đã có ảnh hưởng sâu rộng đến nhân loại, chứng tỏ tầm quan trọng của tổng hợp hóa học vô cơ. Các hợp chất nhóm chính điển hình là SiO₂, SnCl₄ và N₂O. Nhiều hợp chất nhóm chính cũng có thể được phân loại là nhóm organometallic, vì chúng có chứa các nhóm hữu cơ, ví dụ B(CH₃)₃). Các hợp chất nhóm chính cũng tồn tại trong thiên nhiên, ví dụ như phosphat trong DNA và do đó có thể được xem là sinh học. Ngược lại, các hợp chất hữu cơ không (hoặc ít) có phối tử hydro có thể được xem là vô cơ, như là fullerene, buckytubes và oxit carbon nhị phân.

Ví dụ: tetrasulfur tetranitride S₄N₄, diborane B₂H₆, silicones, buckminsterfullerene C₆₀.

Các hợp chất kim loại chuyển tiếp

Các hợp chất chứa kim loại từ nhóm 4 đến 11 được xem là các hợp chất kim loại chuyển tiếp. Các hợp chất với kim loại từ nhóm 3 hoặc 12 đôi khi cũng được tính vào nhóm này, nhưng thường được coi là các hợp chất nhóm chính.

Các hợp chất kim loại chuyển tiếp thể hiện sự đa dạng hóa học phối hợp, từ cấu trúc tứ diện của titan (ví dụ như TiCl₄) đến cấu trúc mặt phẳng vuông của một số phức niken và thậm chí đến cấu trúc bát diện của phức hợp phối của coban. Một loạt các kim loại chuyển tiếp có thể được tìm thấy trong các hợp chất quan trọng về mặt sinh học, như là sắt trong hemoglobin.

Ví dụ: pentacarbonyl sắt, tetrachloride titan, cisplatin.

Hợp chất hữu cơ kim loại (organometallic)

Thông thường, các hợp chất hữu cơ kim loại được định nghĩa là chứa nhóm M-C-H. Kim loại (M) trong các phức này có thể là nguyên tố nhóm chính hoặc kim loại chuyển tiếp. Định nghĩa của các hợp chất hữu cơ kim loại có thể rộng hơn để bao gồm cả các phức lipophilic cao như carbonyl kim loại và thậm chí cả các kim loại alkoxit.

Các hợp chất hữu cơ kim loại chủ yếu được coi là đặc biệt vì các phối tử hữu cơ thường nhạy cảm với quá trình thủy phân hoặc oxy hóa, đòi hỏi sử dụng các phương pháp chuẩn bị hóa học hữu cơ kim chuyên biệt hơn so với truyền thống trong các phức loại Werner. Phương pháp tổng hợp, đặc biệt là khả năng điều khiển các phức trong dung môi có công suất phối hợp thấp, cho phép khám phá các phối tử rất yếu như hydrocarbon, H₂ và N₂. Bởi vì các phối tử là hóa dầu trong một số ý nghĩa, lĩnh vực hóa học cơ kim đã được hưởng lợi rất nhiều từ sự liên quan của nó với ngành công nghiệp.

Ví dụ: Cyclopentadienyliron dicarbonyl dimer (C₅

H₅)Fe(CO)₂CH₃, Ferrocene Fe (C₅H₅)₂, Molybdenum hexacarbonyl Mo(CO)₆, Diborane B₂H₆, Tetrakis (triphenyl)) Pd [P (C₆H₅)₃]₄

Phân loại phản ứng hóa học trong hóa vô cơ

Có thể phân loại các phản ứng hóa học trong hóa vô cơ thành hai loại là phản ứng không có sự thay đổi số oxy hóa và phản ứng có sự thay đổi số oxy hóa.

Phản ứng không thay đổi số oxy hóa

• Phản ứng hóa hợp là quá trình tạo ra một chất mới từ hai chất khác nhau. Ví dụ: CaO + CO₂ → CaCO₃
• Phản ứng phân hủy là quá trình mà một chất bị phân hủy thành hai hoặc nhiều chất khác nhau. Ví dụ: CaCO₃ → CaO + CO₂
• Phản ứng thế là quá trình trong đó một kim loại mạnh thế chỗ một kim loại yếu hơn trong một muối. Ví dụ: Fe + CuCl₂ → FeCl₂ + Cu
• Phản ứng trao đổi trong dung dịch điện ly là quá trình giữa các ion dương (cation) và các ion âm (anion) tạo ra các chất kết tủa, chất bay hơi dễ và các dung dịch điện ly yếu. Ví dụ: AgNO₃ + NaCl → NaNO₃ + AgCl

Phản ứng trao đổi bao gồm các loại sau đây:

1. Phản ứng trung hòa giữa axit và bazơ. Ví dụ: NaOH + HCl $⟶<!--\; ⟶\; -->$ NaCl + H₂O
2. Phản ứng thủy phân là quá trình một muối (bao gồm cả gốc axit yếu hoặc bazơ yếu) phản ứng với nước để tạo ra axit yếu hoặc bazơ yếu tương ứng.

Phản ứng có thay đổi số oxy hóa

• Phản ứng oxy hóa - khử là quá trình trong đó có sự trao đổi electron giữa một chất khử (chất cho electron) và một chất oxy hóa (chất nhận electron).

Ví dụ 1: 2H₂ + O₂ → 2H₂O

Ví dụ 2: Fe + 6HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + 3H₂O + 3NO₂

Các nhánh của hóa vô cơ

Các nhánh chính của hóa vô cơ bao gồm:

• Khoáng vật như muối, silicat, đá,...
• Kim loại và hợp kim như sắt, đồng, nhôm, thép, gang,...
• Các hợp chất của các nguyên tố phi kim như oxy, nitơ, photpho, clo,... Ví dụ: nước (H₂O), axit sunfuric (H₂SO₄),...
• Các phức chất của kim loại, ví dụ [NiCl₄]
• Tổng hợp hóa học vô cơ
• Xúc tác hóa học vô cơ
• Hóa phóng xạ vô cơ
• Hóa sinh vô cơ

• Hóa hữu cơ