La chimie inorganique
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A: Caractéristiques diborane liaison inhabituelle
B: chlorure de césium a un archétype la structure cristalline
C: Fp 2 est un complexe organométallique
D: Les utilisations de silicone vont de implants mammaires à Silly Putty
E: Catalyseur de Grubbs a remporté le prix Nobel 2005 pour son découvreur
F: Les zeolites trouvent une utilisation étendue que tamis moléculaires
G: Cuivre (II) acétate surpris théoriciens avec son diamagnétisme
Chimie inorganique est la branche de la chimie concerné avec les propriétés et le comportement des composés inorganiques . Ce champ couvre tous les composés chimiques sauf les innombrables composés organiques (composés contenant des liaisons CH), qui sont les sujets de la chimie organique . La distinction entre les deux disciplines est loin d'être absolue, et il ya beaucoup de chevauchement, surtout dans le sous-discipline de chimie organométallique.
Concepts clés
La majeure partie des composés inorganiques se produit comme sels , la combinaison de cations et des anions rejoint par une liaison ionique. Des exemples de cations sont le sodium Na +, et le magnésium Mg 2+ et des exemples d'anions sont oxyde O 2- et chlorure Cl -. Comme sels de charge neutre, ces ions forment des composés tels que oxyde de sodium Na 2 O ou chlorure de magnésium MgCl 2. Les ions sont décrits par leur état d'oxydation et de leur facilité de formation peuvent être déduites à partir de la potentiel d'ionisation (pour les cations) ou du affinité électronique (anions) des éléments parents.
Classes importantes de composés inorganiques sont les les oxydes, les carbonates , les sulfates et le halogénures. De nombreux composés inorganiques sont caractérisées par de hauts points de fusion . Les sels inorganiques sont généralement pauvres conducteurs à l'état solide. Une autre caractéristique importante est leur solubilité dans l'eau par exemple (voir: tableau de solubilité), et la facilité de cristallisation. Là où certains sels (par exemple NaCl ) sont très solubles dans l'eau, d'autres (par exemple SiO 2 ) ne sont pas.
Le plus simple réaction inorganique est double déplacement en cas de mélange de deux sels les ions sont échangés sans un changement d'état d'oxydation. En une réaction d'oxydo-réduction de réactif, l'agent d'oxydation, réduit son état d'oxydation et un autre réactif, l'agent réducteur, a son état d'oxydation accru. Le résultat net est un échange d' électrons . Echange électron peut se produire indirectement ainsi, par exemple, dans piles, un concept clé dans électrochimie.
Lorsque un réactif contient des atomes d'hydrogène, une réaction peut avoir lieu par échange de protons dans la chimie acide-base . Dans une définition plus générale, un acide peut être ne importe quelle espèce chimique capable de se lier à des paires d'électrons est appelé Acide de Lewis; inversement toute molécule qui a tendance à donner une paire d'électrons est appelé un Base de Lewis. Comme un raffinement de interactions acide-base, le Principe HSAB tient compte polarisabilité et la taille des ions.
Composés inorganiques sont présents dans la nature en tant que minéraux . Le sol peut contenir du sulfure de fer comme la pyrite ou de sulfate de calcium comme le gypse . Composés inorganiques sont également trouvés multitâche biomolécules: comme électrolytes ( chlorure de sodium ), dans le stockage de l'énergie ( ATP ) ou dans la construction (la épine dorsale polyphosphate dans l'ADN ).
Le premier composé inorganique de l'homme-fait important a été nitrite d'ammonium pour la fertilisation des sols à travers le Procédé Haber. Composés inorganiques sont synthétisés pour une utilisation comme catalyseurs tels que vanadium (V) de l'oxyde et titane (III), le chlorure, ou en tant que réactifs dans la chimie organique tels que l'hydrure de lithium et d'aluminium .
Subdivisions de la chimie inorganique sont chimie organométallique, cluster et la chimie la chimie bio-inorganique. Ces champs sont des zones actives de la recherche en chimie inorganique, visant vers de nouveaux catalyseurs , les supraconducteurs et les thérapies .
Chimie inorganique industrielle
Chimie inorganique est un domaine très pratique de la science. Traditionnellement, l'échelle de l'économie d'un pays peut être évaluée par leur productivité de l'acide sulfurique. Le top 20 des produits chimiques inorganiques fabriqués au Canada, en Chine, en Europe, au Japon et aux États-Unis (données 2005): sulfate d'aluminium, de l'ammoniac , nitrate d'ammonium, sulfate d'ammonium, le noir de carbone, le chlore , l'acide chlorhydrique , l'hydrogène , le peroxyde d'hydrogène , l'acide nitrique , l'azote , l'oxygène , l'acide phosphorique , le carbonate de sodium, le chlorate de sodium, l'hydroxyde de sodium , silicate de sodium, sulfate de sodium , l'acide sulfurique , et dioxyde de titane,
Chimie inorganique descriptive
Chimie inorganique descriptive se concentre sur la classification des composés basés sur leurs propriétés. Légèrement la classification se concentre sur la position dans le tableau périodique de l'élément le plus lourd (l'élément avec le poids atomique le plus élevé) dans le composé, en partie en regroupant les composés de leurs similarités structurelles. Lors de l'étude des composés inorganiques, on rencontre souvent des parties des différentes classes de la chimie inorganique (un composé organométallique est caractérisé par sa chimie de coordination, et peut présenter des propriétés de l'état solide intéressants).
Différentes catégories sont:
composés de coordination
Composés de coordination classiques disposent métaux liés à " doublets libres "d'électrons se trouvant sur les principaux atomes du groupe de ligands tels que H 2 O, NH 3, Cl -, et CN -. Dans les composés de coordination modernes presque tous les composés organiques et inorganiques peuvent être utilisés en tant que ligands. Le "métal" est habituellement un métal des groupes 3 à 13, ainsi que les trans - lanthanides et trans - actinides , mais à partir d'un certain point de vue, tous les composés chimiques peut être décrit comme des complexes de coordination.
La stéréochimie des complexes de coordination peut être très riche, comme le suggère la séparation de Werner de deux énantiomères de [Co ((OH) 2 Co (NH 3) 4) 3] 6+, une première démonstration que de chiralité ne est pas inhérente à des composés organiques. Un thème d'actualité au sein de cette spécialisation est la chimie de coordination supramoléculaire.
- Exemples: [Co ( EDTA)] -, [Co (NH 3) 6] 3+, TiCl 4 ( THF) 2.
Composés des groupes principaux
Ces espèces comprennent des éléments de groupes 1, 2 et 13 à 18 (à l'exclusion de l'hydrogène) de la classification périodique. En raison de leur réactivité souvent similaires, les éléments du groupe 3 ( Sc , Y et La ) et le groupe 12 ( Zn , Cd et Hg ) sont aussi généralement inclus.
Composés des groupes principaux ont été connus depuis les débuts de la chimie, par exemple élémentaire de soufre et le blanc distillable phosphore . Les expériences sur l'oxygène, O 2 , par Lavoisier et Priestley non seulement identifié une importante gaz diatomique, mais a ouvert la voie à la description des composés et des réactions selon rapports stoechiométriques. La découverte d'une synthèse pratique de l'ammoniac en utilisant des catalyseurs de fer par Carl Bosch et Fritz Haber dans le début des années 1900 profondément impacté l'humanité, ce qui démontre l'importance de la synthèse de produits chimiques inorganiques. Principaux composés typiques sont des groupes SiO 2, SnCl 4 et de N 2 O. Beaucoup principaux composés du groupe peuvent également être classés comme "organométallique", car ils contiennent des groupes organiques, par exemple B ( CH 3) 3). Composés des groupes principaux se produisent aussi dans la nature, par exemple phosphate dans l'ADN , et peut donc être classé comme bioinorganique. Inversement, les composés organiques qui ne ont pas ligands (beaucoup) d'hydrogène peuvent être classés comme «inorganique», telles que les fullerènes, buckytubes et des oxydes de carbone binaires.
- Exemples: Tétranitrure de tétrasoufre S 4 N 4, diborane B 2 H 6, les silicones, buckminsterfullerene C 60.
composés de métaux de transition
Les composés contenant des métaux du groupe 4 à 11 sont considérés comme des composés de métaux de transition. Les composés avec un métal du groupe 3 ou 12 sont parfois également incorporés dans ce groupe, mais également souvent classés comme composés principaux de groupe.
des composés de métaux de transition présentent une riche chimie de coordination, variant de tétraédrique de titane (par exemple TiCl 4) plane carré pour certains complexes de nickel à octaédriques de complexes de coordination du cobalt. Une gamme de métaux de transition peuvent être trouvées dans les composés biologiquement importants, tels que le fer de l'hémoglobine.
- Exemples: pentacarbonyle de fer, tétrachlorure de titane, cisplatine
Composés organométalliques
Habituellement, les composés organométalliques sont considérés contenir le groupe MCH. Le métal (M) dans ces espèces peut être soit un élément du groupe principal ou un métal de transition. Sur le plan opérationnel, la définition d'un composé organométallique est plus détendue pour inclure également très des complexes lipophiles tels que carbonyles métalliques et même le métal alcoolates.
Les composés organométalliques sont principalement considérés comme une catégorie spéciale parce ligands organiques sont souvent sensibles à l'hydrolyse ou l'oxydation, ce qui nécessite que la chimie organométallique emploie des méthodes de préparation plus spécialisés que ce ne était traditionnelle dans les complexes de type Werner. Méthodologie de synthèse, en particulier la capacité de manipuler complexes dans des solvants de faible puissance de coordination, a permis l'exploration de ligands de coordination très faiblement comme les hydrocarbures, H 2 et N 2. Parce que les ligands sont des produits pétrochimiques dans un certain sens, le domaine de la chimie organométallique a grandement bénéficié de sa pertinence pour l'industrie.
- Exemples: Cyclopentadiénylfer dicarbonyle dimère (C 5 H 5) Fe (CO) 2 CH 3, Ferrocène Fe (C 5 H 5) 2, Hexacarbonyle de molybdène Mo (CO) 6, Diborane B 2 H 6, Du tétrakis (triphénylphosphine) palladium (0) Pd [P (C 6 H 5) 3] 4
Composés Cluster
Les clusters peuvent être trouvés dans toutes les classes de composés chimiques . Selon la définition communément admise, un cluster se compose au minimum d'un ensemble triangulaire d'atomes qui sont directement liés les uns aux autres. Mais métal-métal lié complexes dimétalliques sont très pertinents pour la région. Clusters se produisent dans les systèmes «purs» inorganique, chimie organométallique, chimie du groupe principal, et de chimie bio-inorganique. La distinction entre les très grands groupes et les solides en vrac est de plus en plus floue. Cette interface est la base chimique de la nanoscience ou la nanotechnologie et se pose spécifiquement de l'étude de effets de taille quantique dans grappes de séléniure de cadmium. Ainsi, de grands groupes peuvent être décrits comme un ensemble d'atomes consolidés intermédiaires de caractère entre une molécule et un solide.
- Exemples: Fe 3 (CO) 12, B 10 H 14, [6 Mo Cl 14] 2-, 4Fe-4S
Composés bioinorganique
Voir également La chimie Bioorganometallic
Ces composés produisent (par définition) dans la nature, mais la sous-zone comprend des espèces anthropiques, tels que des polluants et des médicaments, par exemple Le cisplatine. Le domaine comprend de nombreux composés, par exemple les phosphates de l'ADN, mais aussi complexes métalliques contenant des ligands qui vont de macromolécules biologiques, communément peptides, les espèces mal définis tels que acide humique, et de l'eau (par exemple coordonné au gadolinium complexes employé pour IRM).
- Exemples: l'hémoglobine, méthylmercure, carboxypeptidase
Composés à l'état solide
Cette zone importante se concentre sur structure, des liaisons, et les propriétés physiques des matériaux. Dans la pratique, la chimie inorganique à l'état solide utilise des techniques telles que cristallographie à acquérir une compréhension des propriétés qui résultent des interactions collectives entre les sous-unités du solide. Inclus dans la chimie du solide sont des métaux et leur des alliages ou des dérivés intermétalliques. Domaines connexes sont la physique de la matière condensée , minéralogie et la science des matériaux .
- : Exemples puces de silicium , les zéolithes, YBa 2 Cu 3 O 7
La chimie inorganique théorique
Un autre point de vue sur la zone de la chimie inorganique commence par la Modèle de Bohr de l'atome et, en utilisant les outils et les modèles de chimie théorique et la chimie computationnelle , se développe en liaison dans les molécules plus complexes simples et puis. Descriptions précises de la mécanique quantique pour les espèces multielectron, la province de la chimie inorganique, est difficile. Ce défi a donné naissance à de nombreuses approches semi-quantitatives ou semi-empiriques, y compris théorie des orbitales moléculaires et la théorie du champ de ligand, En parallèle avec ces descriptions théoriques, méthodes approximatives sont employés, y compris théorie de la fonctionnelle de la densité.
Exceptions aux théories, qualitatives et quantitatives, sont extrêmement important dans le développement du champ. Par exemple, II Cu 2 (OAc) 4 (H 2 O) 2 est presque diamagnétique dessous de la température ambiante alors que la théorie des champs cristal prédit que la molécule aurait deux électrons non appariés. Le désaccord entre la théorie qualitative (paramagnétique) et l'observation (diamagnétique) a conduit à l'élaboration de modèles de "couplage magnétique." Ces modèles améliorés ont conduit au développement de nouveaux matériaux magnétiques et les nouvelles technologies.
Théories qualitatives
La chimie inorganique a grandement bénéficié de théories qualitatives. Ces théories sont plus facile à apprendre car ils nécessitent peu de connaissances dans la théorie quantique. Dans principaux composés du groupe, La théorie prédit VSEPR puissamment, ou au moins rationalise, le structures des principaux composés du groupe, comme une explication pour cela que NH 3 est pyramidale alors ClF 3 est en forme de T. Pour les métaux de transition, la théorie du champ cristallin permet de comprendre le magnétisme de nombreux complexes simples, comme pourquoi [Fe III (CN) 6] 3- possède un seul électron non apparié, tandis que [Fe III (H 2 O) 6] 3+ a cinq. Une approche qualitative particulièrement puissant pour l'évaluation de la structure et la réactivité commence avec des molécules classer selon comptage électronique, en se concentrant sur le nombre de les électrons de valence, habituellement à l'atome central dans une molécule.
Théorie moléculaire Symétrie Groupe
Produit d'assemblage central en chimie inorganique est de la théorie symétrie moléculaire. Mathématique théorie des groupes fournit le langage pour décrire les formes des molécules en fonction de leur " Point groupe symétrie ». La théorie des groupes permet également l'affacturage et la simplification des calculs théoriques.
Caractéristiques spectroscopiques sont analysés et décrits par rapport aux propriétés de symétrie du, entre autres, de vibration ou états électroniques. La connaissance des propriétés de symétrie du sol et états excités permet de prédire le nombre et l'intensité des absorptions dans les spectres de vibration et électroniques. Une application classique de la théorie des groupes est la prédiction du nombre de vibrations de CO dans les complexes de métaux carbonyles substitués. Les applications les plus courantes de symétrie à la spectroscopie impliquent spectres de vibration et électroniques.
Comme un outil pédagogique, Théorie des groupes met en évidence les points communs et les différences dans la liaison des espèces par ailleurs disparates, tels que WF 6 et Mo (CO) 6 ou CO 2 et NO 2.
les voies de réaction
La théorie des réactions chimiques est plus difficile que la théorie pour une molécule statique. Théorie de Marcus fournit un lien puissant entre collage, le mécanisme, et réactivité. Les forces relatives des obligations métal-ligand, qui peuvent être calculées théoriquement, anticipe les voies cinétique accessibles.
Thermodynamique et la chimie inorganique
Une approche quantitative alternative à la chimie inorganique se concentre sur les énergies de réactions. Cette approche est très traditionnelle et empirique, mais il est également utile. Concepts généraux qui sont rédigées en termes thermodynamiques comprennent redox potentiel, l'acidité , la phase changements. Un concept classique en thermodynamique inorganiques est le Cycle de Born-Haber, qui est utilisé pour évaluer les énergies de processus élémentaires tels que affinité électronique, dont certains ne peuvent pas être observé directement.
Chimie inorganique mécaniste
Un aspect important et de plus en plus populaire de la chimie inorganique se concentre sur les voies de réaction. Les mécanismes des réactions sont discutés différemment différentes catégories de composés.
Les éléments et les lanthanides du groupe principal
Les mécanismes de composés des groupes principaux des groupes 13 à 18 sont généralement discutés dans le contexte de la chimie organique (composés organiques sont des composés des groupes principaux, après tout). Éléments plus lourds que C, N, O et F forment souvent des composés ayant plus d'électrons que prévu par la règle de l'octet, comme expliqué dans l'article sur hypervalentes molécules. Les mécanismes de leurs réactions diffèrent des composés organiques pour cette raison. Les éléments plus légers que carbone ( B , Be , Li ) et Al et Mg forment souvent des structures de déficients en électrons qui sont électroniquement apparente à carbocations. Ces espèces déficients en électrons ont tendance ro réagissent par des voies associatives. La chimie des lanthanides miroirs de nombreux aspects de la chimie vu pour l'aluminium.
complexes de métaux de transition
Les mécanismes de la réaction des métaux de transition sont décrits différemment des principaux composés du groupe. Le rôle important des orbitales d dans liaison influe fortement sur les voies et les taux de substitution de ligand et la dissociation. Ces thèmes sont abordés dans les articles sur chimie de coordination et ligand. Les deux voies associatives et dissociatifs sont observées.
Un aspect primordial de la chimie mécanique de métal de transition est la labilité cinétique du complexe illustré par l'échange d'eau libre et liée dans les complexes prototypiques [M (H 2 O) 6] n +:
- [M (H 2 O) 6] + 6 n + H 2 O → * [M (H 2 O *) 6] + n + 6 H 2 O
- où H 2 O * désigne isotopes eau enrichie, par exemple H 2 O 17
Les taux d'échange de l'eau varie de 20 ordres de grandeur à travers la table périodique, avec des complexes de lanthanides à une espèce extrêmes et Ir (III) étant le plus lent.
Les réactions d'oxydoréduction
Les réactions d'oxydoréduction sont répandues pour les éléments de transition. Deux classes de réaction redox sont considérés: des réactions par transfert d'atome, comme addition oxydante / élimination réductrice, et transfert d'électrons. Une réaction d'oxydo-réduction est fondamental "auto-échange", qui implique la dégénéré réaction entre un agent oxydant et un agent réducteur. Par exemple, permanganate et son rapport à un électron réduit échange manganate un électron:
- [MnO 4] - + [Mn * O 4] 2- → [MnO 4] 2- + [Mn * O 4] -
Réactions à ligands
Ligands coordonnés affichent réactivité distincte des ligands libres. Par exemple, l'acidité des ligands d'ammoniac dans [Co (NH 3) 6] 3+ est élevée par rapport à NH 3 lui-même. Les alcènes liés à des cations de métaux sont réactifs vis des nucléophiles que les alcènes sont normalement pas. La zone large et industriellement important de catalyse dépend de la capacité de métaux de modifier la réactivité des ligands organiques. Catalyse homogène en solution et se produit catalyse hétérogène se produit lorsque gazeux ou dissous substrats interagissent avec des surfaces des solides. Traditionnellement catalyse homogène est considéré comme faisant partie de la chimie organométallique et catalyse hétérogène est discuté dans le contexte de la science des surfaces, un sous-champ de la chimie à l'état solide. Mais les principes chimiques inorganiques de base sont les mêmes. Les métaux de transition, presque uniquement, réagissent avec des petites molécules telles que CO, H 2, O 2, et C 2 H 4. L'importance industrielle de ces charges d'alimentation entraîne la zone active de la catalyse.
Caractérisation des composés inorganiques
En raison de la diversité des éléments et les propriétés diverses correspondante des dérivés résultant, chimie inorganique est étroitement associée à de nombreuses méthodes d'analyse. Des méthodes plus anciennes avaient tendance à examiner les propriétés en vrac tels que la conductivité électrique des solutions, des points de fusion , solubilité , et l'acidité . Avec l'avènement de la théorie quantique et l'expansion correspondante d'appareils électroniques, de nouveaux outils ont été mis en place pour sonder les propriétés électroniques des molécules et des solides inorganiques. Souvent, ces mesures fournissent des informations pertinentes aux modèles théoriques. Par exemple, des mesures sur le spectre photoélectronique de méthane a démontré que la liaison par décrire le centre de deux, liaisons à deux électrons prévus entre le carbone et l'hydrogène en utilisant Valence Bond Theory ne est pas approprié pour décrire les processus d'ionisation de façon simple. Ces idées ont conduit à la popularisation de théorie des orbitales moléculaires que orbitales totalement délocalisés sont une simple description plus appropriée de l'enlèvement d'électrons et l'excitation d'électrons.
Techniques couramment rencontrés sont les suivants:
- Cristallographie aux rayons X. Cette technique permet la détermination de 3D les structures moléculaires.
- Diverses formes de spectroscopie
- Spectroscopie ultraviolet-visible: Historiquement, cela a été un outil important, car de nombreux composés inorganiques sont fortement colorées
- spectroscopie RMN : Outre une H et 13 C de nombreux autres «bonnes» noyaux de RMN (par exemple 11 B , 19 F , 31 P et 195 Pt ) donner des informations importantes sur les propriétés de composés et de la structure. Aussi la RMN des espèces paramagnétiques peut conduire à des informations structurales importantes. La RMN du proton est également important car le noyau d'hydrogène lumière ne est pas facilement détectée par cristallographie aux rayons X.
- La spectroscopie infrarouge: Principalement pour les absorptions de ligands carbonyles
- Résonance double Electron nucléaire (ENDOR) spectroscopie
- Spectroscopie Mössbauer
- Résonance électronique de spin: ESR (ou EPR) permet la mesure de l'environnement de centres paramagnétiques métalliques.
- Electrochimie: Voltamétrie cyclique et les techniques connexes sonder les caractéristiques redox de composés.
La chimie inorganique synthétique
Bien que certaines espèces inorganiques peuvent être obtenus sous forme pure à partir de la nature, la plupart sont synthétisés dans les usines chimiques et dans le laboratoire.
Des procédés de synthèse inorganiques peuvent être classés grossièrement selon la volatilité ou la solubilité des réactifs constitutifs. Composés inorganiques solubles sont préparés en utilisant des méthodes de synthèse organique. Pour les composés contenant un métal qui sont réactifs vis-à air, Ligne Schlenk et techniques de la boîte à gants sont suivies. Les composés volatils et des gaz sont manipulés dans des "distributeurs à vide", comprenant des tuyaux en verre reliées entre elles par des vannes, dont l'ensemble peut être mis sous vide à 0,001 mm Hg ou moins. Les composés sont condensés à l'aide l'azote liquide (78K pb) ou autre cryogéniques. Les solides sont généralement préparés en utilisant des fours tubulaires, les réactifs et les produits étant scellés dans des conteneurs, souvent en silice fondue (SiO 2) mais parfois des matériaux plus spécialisés tels que des tubes soudés Ta ou "bateaux" Pt. Produits et réactifs sont transportés entre les zones de température à conduire des réactions.
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