НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ,
наука о хим. элементах и образуемых ими простых и сложных в-вах, за исключением
орг. соединений.
Понятие "неорганическая химия"
(минер. химия) появилось первоначально для обозначения в-в минер. происхождения.
Осн. задачи соврем. неорганической химии: изучение строения, св-в и хим. р-ций простых в-в и соед., взаимосвязи строения
со св-вами и реакц. способностью в-в, разработка методов синтеза и глубокой
очистки в-в, общих методов получения неорганических материалов.
Важнейшие разделы неорганической химии-теоретич.,
синтетич. и прикладная неорганическая химия. По изучаемым объектам ее подразделяют на химию отдельных
элементов, химию групп элементов в составе периодич. системы (химия щелочных
металлов, щелочноземельных элементов, галогенов, халькогенов и др.), химию
определенных соед. тех или иных элементов (химия силикатов, пероксидных соед.
и др.), химию элементов, объединенных в группы по исторически сложившимся признакам
(напр., химия редких элементов), химию близких по св-вам
и применению в-в (химия тугоплавких в-в, интер-металлидов, полупроводников,
энергонасыщенных соед., благородных металлов, неорг. полимеров и др.). Самостоят.
раздел неорганической химии-координац. химия, или химия координационных соединений. Нередко
обособляют химию переходных элементов.
Границы между неорганической химией и др.
хим. науками часто условны или неопределенны. Одни и те же в-ва или р-ции м.
б. объектами исследования разл. хим. дисциплин.
Как и мн. др. хим. науки,
неорганическая химия неразрывно связана с физ. химией, к-рая может считаться теоретич. и методологич.
основой совр. химии, с аналит. химией-одним из главных инструментов химии.
Неорганическая химия отчасти пересекается
с орг. химией, особенно с химией металлоорг. соед., бионеорг. химией и др.
Теоретич. представления
неорганической химии используют в геохимии, космохимии, химии твердого тела, химии высоких энергий,
радиохимии, ядерной химии, в нек-рых разделах биохимии и агрохимии.
Прикладная часть неорганической химии связана
с хим. технологией, металлургией, галургией, электроникой, с добычей полезных
ископаемых, произ-вом керамики, строительных, конструкционных, а также оптич.
и др. неорг. материалов, с обеспечением работы энергетич. установок (напр.,
АЭС), с с. х-вом, с обезвреживанием пром. отходов, охраной природы и др.
История развития. 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 хим. элементов, история формирования осн. понятий о в-ве, история открытия
и развития законов химии, в частности периодического закона Менделеева.
Все осн. периоды развития
общей химии (древнейший, алхимии, ятрохимии, возникновения техн. химии,
классич. химии, современный) - это и периоды развития неорганической химии в ее совр. понимании.
В течение древнейшего периода
(до нач. 13 в.) стали известны углерод, сера, железо, олово, свинец, медь, ртуть,
серебро и золото. С 7 в. в Китае производился фарфор. В алхим. период (до нач.
16 в.) были охарактеризованы мн. минералы, открыты мышьяк, сурьма, висмут, цинк,
изучены нек-рые сплавы (в частности, отдельные амальгамы), соли, неск. к-т и
щелочей. Возник пробирный анализ. В Европе с сер. 13 в. стала применяться, а
в 15 в. и производиться селитра.
В нач. 16 в. возникло направление
в алхимии и медицине - ятрохимия (от греч. iatros-врач и химия; химиатрия, иатрохимия),
отводившее осн. роль в возникновении болезней нарушениям хим. процессов в организме
человека и ставившее задачу отыскания и приготовления хим. ср-в их лечения.
Основатель ятрохимии-Парацельс-ввел в мед. практику препараты ртути, серебра,
золота и др. металлов. Ятрохимия утратила свое значение в нач. 18 в.
В период возникновения
техн. химии (17 в.- 1-я пол. 18 в.) установлено существование фосфора, кобальта,
платины и никеля. Были созданы произ-ва азотной, соляной и серной к-т, разл.
солей (поваренная соль, квасцы, бура, нашатырь, сульфат цинка), минер. красителей,
керамики.
Нач. 18 в. связано с распространением
теории флогистона-некоего в-ва, якобы выделяемого при горении. Эта ошибочная
теория оказала положит. влияние на развитие химии, впервые позволив рассматривать
разл. хим. процессы с одной общей точки зрения.
Во 2-й пол. 18 в. хим.-аналит.
методами были открыты барий, марганец, молибден и др. металлы, теллур, с помощью
электричества была разложена вода, обнаружены первые газообразные простые в-ва
- водород, азот, хлор и кислород.
М. В. Ломоносов и А. Лавуазье
сформулировали закон сохранения массы при хим. р-циях. Лавуазье показал несостоятельность
теории флогистона, дал определение хим. элемента (в-во, к-рое не м. б. разложено
хим. способами), предложил впервые перечень известных тогда хим. элементов.
Принципы хим. номенклатуры этого периода в осн. сохранились до нашего времени.
На основе работ Л. Гальвани
и А. Вольта был открыт электрохим. ряд напряжений металлов.
В нач. 19 в. зародилась
классич. химия. В 1-й пол. 19 в. были найдены осн. количеств. законы химии.
Ж. Пруст открыл закон постоянства состава в-ва (к-рый стал общепринятым после
длит. спора с К. Бертолле). Дж. Дальтон в 1802 суммировал идеи др. ученых на
качественно ином уровне и сформулировал близкую к современной концепцию атомистич.
природы в-в, а на ее основе - кратных отношений закон, ввел понятие атомной
массы.
Этапными для развития неорганической химии
явились работы И. Берцелиуса, к-рый 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 кол-ва теплоты (см. Гесса закон). Возникла атомно-мол. теория.
В 1807 Г. Дэви электрохимически
разложил гидроксиды натрия и калия и ввел в практику новый метод выделения простых
в-в; в 1834 М. Фарадей опубликовал осн. законы электрохимии (см. Фарадея
законы).
2-я половина - конец 19
в. ознаменовались обособлением физ. химии. К. Гульдберг и П. Вааге сформулировали
действующих масс закон. Работы С. Аррениуса, Я. Вант-Гоффа, В. Оствальда
положили начало теории р-ров.
В этот же период зародилось
учение о валентности (Ф. Кекуле, Ш. Вюрц и др.), стали известными новые
хим. элементы (бор, литий, кадмий, селен, кремний, бром, алюминий, иод, торий,
ванадий, лантан, эрбий, тербий, диспрозий, рутений, ниобий), с помощью введенного
в практику спектр. анализа было доказано существование цезия, рубидия, таллия
и индия. Было проведено определение и уточнение атомных масс мн. хим. элементов.
К кон. 1860-х гг. стало
известно 63 хим. элемента и большое число разнообразных хим. соед., однако научная
классификация элементов отсутствовала. Основой для систематики явился периодич.
закон Менделеева, с помощью к-рого были исправлены атомные массы мн. элементов
и предсказаны св-ва неизвестных в то время в-в. Послед. открытия галлия (П.
Э. Лекок де Буабодран, 1875), скандия (Л. Нильсон, 1879), германия (К. А. Винклер,
1886), ланта-ноидов, благородных газов (У. Рамзай, 1894-98), первых радиоактивных
элементов-полония и радия (М. Склодовс-кая-Кюри, П. Кюри, 1898) блестяще подтвердили
периодич. 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 периодич. закона, нек-рое время оспаривавшийся
Л. Мейером, был закреплен в названии одного из искусств. элементов (менделевия).
Теория строения атома (Э.
Резерфорд, 1911; Н. Бор, 1913), введение понятия атомного номера (Г. Мозли,
1914) позволили дать периодич. закону физ. обоснование.
В 1893 А. Вернер высказал
идею пространств. строения комплексных соед. металлов, создал основы классификации
координац. соединений.
Позднее в неорганической химии стали использоваться
такие понятия, как введенная Л. Полингом электроотрииательность, ионные
и ковалентные радиусы (см. Атомные радиусы), степень окисления, к-ты
и основания по Брёнстеду и по Льюису (см. Кислоты и основания). В 1927
И. И. Черняев открыл явление трансвлияния в комплексных соединениях. Достижения
рус. и сов. 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. Совр. период неорганической химии отличается расширением ее
теоретич. базы, резким увеличением кол-ва изучаемых объектов, применением физ.,
особенно спектроскопич., методов исследования и анализа, увеличением числа используемых
сложных методов синтеза.
Химия большинства элементов
в 20 в. интенсивно развивалась, однако нек-рые области неорганической химии прогрессировали
особенно быстро. Появились и новые быстро растущие направления. Х и м и я р
е д к и х м е т а л л о в начала выделяться в
самостоят. раздел неорганической химии в 30-х гг. благодаря зарождению произ-ва редких металлов
и росту их потребления, комплексному характеру мн. видов прир. сырья и общности
технол. операций переработки сырья (см. Гидрометаллургия). Появление
атомной энергетики, авиационно-космич. пром-сти и электроники повысили роль
этой области неорганической химии.
Х и м и я г а л о г е н
о в, особенно фтора, получила мощный импульс развития во 2-й пол. 20 в. в связи
с развитием металлургии, атомной и ракетной техники, произ-в орг. в-в, полупроводниковых
и др. материалов. Заметному увеличению числа исследований неорг. фторидов способствовало
открытие в 1962 фторидов благородных газов. В 70-80-х гг. расширилось применение
атомарных и ионизированных галогенов, каталитич. р-ций галогенирования. Многообразие
соед. галогенов и широкий диапазон их св-в сделали эти соед. удобными объектами
для изучения осн. задач неорганической химии.
Несмотря на то что уран
известен с кон. 18 в., х и м и я а к т и н о и д о в приобрела самостоят. 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 искусств.
путем (Г. Сиборг, Г. Н. Флеров и др.). Особенность химии актиноидов заключается
в трудности выделения многих из них в больших кол-вах из-за их радиоактивности.
Для получения актиноидов разработаны спец. методы синтеза и очистки, созданы
микрометоды неорганической химии и методы дистанц. управления процессами. Появилось понятие
"ядерной чистоты" материалов, способы контроля чистоты продуктов.
Начало 2-й пол. 20 в. связано
с возникновением х и м и и п о л у п р о в о д н и к о в (см. Полупроводники,
Полупроводниковые материалы), а несколько более позднее время-с развитием
планарной технологии интегральных схем. Перед неорганической химией возникли задачи получения
особо чистых в-в, что потребовало резкого улучшения методов очистки и анализа.
Инструмент. методы анализа в этой области неорганической химии полностью вытеснили традиционные.
В связи с развитием ракетно-космич.
техники, а, также химических источников тока во 2-й пол. 20 в. самостоят.
значение стала приобретать х и м и я э н е р г о н а с ы щ е н н
ы х с о е д и н е н и й-сильнейших окислителей и восстановителей.
Позже все большее внимание стало уделяться твердым источникам (аккумуляторам)
разл. газов - кислорода (см. Пиротехнические источники газов), водорода
(см. Водородная энергетика), фтора и др.-для топливных элементов, газовых
лазеров, систем жизнеобеспечения космич. станций и кораблей.
Х и м и я РЗЭ (см. Редкоземельные
элементы) близка к химии нек-рых редких металлов и химии актиноидов,
что связано с определенными аналогиями в электронном строении и хим. св-вах
всех этих элементов и определяет их совместное присутствие в нек-рых прир. источниках.
Уникальные св-ва РЗЭ были изучены и реализованы лишь начиная с 60-70-х гг. Особенностью
этих элементов является близость их хим. и многих физ. св-в, 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.
Х и м и я б л а г о р о
д н ы х г а з о в зародилась в 1962, когда Н. Бартлетт получил первое хим. соед.
ксенона-XePtF6. Ныне известны криптона дифторид, ксенона фториды,
а также фториды радона, оксиды и хлориды ксенона, ксенаты и перксенаты,
многочисл. комплексные соед., содержащие ксенон и криптон. Мн. соед. благородных
газов м. б. получены только в условиях физ. активирования реагентов; являются
термодинамически неустойчивыми в-вами и сильнейшими окислителями,
поэтому развитие этого раздела неорганической химии потребовало разработки специфич. методов
синтеза и исследований. Открытие соед. благородных газов имело принципиальное
значение и привело к видоизменению периодич. таблицы хим. элементов - исключению
"нулевой" группы и размещению благородных газов в VIII группе.
В 70-х гг. новый импульс
развития получила х и м и я г и д р и д о в, особенно гидридов металлов и интерметаллич.
соед. (см. Гидриды), в связи с перспективой их использования как источников
топлива для автономных энергосистем.
Х и м и я т в е р д о г
о т е л а, переживающая с 60-70-х гг. период бурного развития, способствовала
ускорению разработки мн. ключевых для неорганической химии вопросов. Среди этих вопросов - природа
нестехиометрич. (см. Нестехиометрия)и аморфных (см. Аморфное состояние)в-в, влияние не-значит. изменений состава кристаллов на их св-ва и др. В
неорганической химии большое внимание уделяется неорг. материалам -сформировались такие области
неорганической химии, как химия материалов для электроники, формируется направление, связанное
с сенсорами химическими.
Открытие, сделанное в 1986
И. Беднорцем и К. Мюллером, положило начало еще одной области неорганической химии и химии твердого
тела-х и м и и в ы с о к о т е м п е р а т у р н ы х с
в е р х п р о в о д н и к о в (см. Сверхпроводники).
Теоретическая неорганическая химия. Этот
раздел неорганической химии рассматривает вопросы хим. связи в неорг. в-вах, структуры в-в,
их св-ва и реакц. способность. Основными в неорганической химии являются периодич. закон, закон
постоянства состава в-в и др. Однако ключевой проблемой сейчас является природа
хим. связи. В неорг. в-вах встречаются все виды хим. связи - ковалентная, ионная
и металлическая. Теория хим. связи, в частности, рассматривает вопросы природы
связи, ее энергии, длины, полярности. Наиб. распространение получили молекулярных
орбиталей методы, наряду с к-рыми используют валентных связей метод,
кристаллического поля теорию и др. Для неорганической химии особенно актуально приложение
методов мол. орбиталей к твердым телам.
Большое значение придается
спектрам в электромагн. диапазоне (для определения структуры в-в) и магн. св-вам
в-в (в целях создания магн. материалов). Теоретич. неорганическая химия активно использует методы
хим. термодинамики и хим. кинетики.
Теоретич. неорганическая химия изучает
также закономерности образования дефектов кристаллич. решетки, влияние дефектов
на св-ва в-в, исследует кинетику твердофазных процессов.
Нек-рые вопросы, разрабатываемые
теоретич. неорганической химией, являются одновременно и проблемами физики и физ. химии. Напр.,
квантово-хим. описание электронной конфигурации атомов и ионов, проблемы происхождения
хим. элементов и их превращений в космосе, создание теории высокотемпературной
сверхпроводимости и др.
Методы синтеза неорганических
соединений. Физ. и хим. св-ва, а также реакц. способность простых в-в и
неорг. соед. изменяются в очень широких пределах. Поэтому для синтеза неорг.
в-в используют широкий набор разл. методов (см. Неорганический синтез). В
общем виде простейший синтез включает смешение реагентов, активацию смеси, собственно
хим. р-цию, выделение из нее целевого продукта и очистку последнего.
Мн. методы синтеза специфичны.
При получении тугоплавких соед. и материалов применяют методы порошковой технологии
(см. Порошковая металлургия), реакц. спекания и химического осаждения
из газовой фазы. Сферич. однородные частицы порошков получают плазменной
обработкой или с помощью золь-гель процессов. Разработаны спец. методы
выделения в-в в виде монокристаллов (см. Монокристаллов выращивание), монокристаллич.
пленок, в т.ч. эпитаксиальных (см. Эпитаксия), и нитевидных кристаллов,
волокон, а также в аморфном состоянии. Нек-рые р-ции проводят в условиях
горения, напр. синтез тугоплавких соед. из смеси порошков простых в-в (см. Горение,
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез). Все более широкое
применение в неорг. синтезе находит криогенная техника (см. Криохимия).
Прикладная химия. Еще
в 18 в. установилась тесная связь между неорганической химией и ремеслами - основой зарождавшейся
пром-сти. Позднее неорганическая химия стала научной базой мн. произ-в, определяющих уровень
пром. развития отдельных стран и всего человечества.
Прикладной частью неорганической химии
традиционно считается технология неорг. в-в. Она связана с крупномасштабными
про-из-вами серной, соляной, фосфорной, азотной к-т, соды, аммиака, хлора, фтора,
фосфора, а также солей натрия, калия, магния и др. (см. Галургия), диоксида
углерода, водорода, разл. минер. удобрений и мн. др. в-в. Большая часть этих
продуктов потребляется др. хим. произ-вами, металлургией и при получении конструкц.
материалов.
Прикладная неорганическая химия играет
существ. роль в развитии важнейших отраслей народного хозяйства. Так, в машиностроении
и стр-ве широко используют материалы, получаемые из минер. сырья хим. методами.
Это, напр., металлы и сплавы, минер. красители, твердые сплавы для режущего
инструмента.
В таких отраслях пром-сти,
как электроника, электротехника, приборостроение, применение новых неорг. материалов
позволяет повысить техн. уровень произ-ва и выпускаемых товаров. Примерами являются
в-ва и материалы для интегральных схем, телевизионных экранов, люминесцентных
ламп, лазеров на кристаллах, волоконных световодов, сверхпроводниковых и магн.
устройств.
В энергетике, помимо применения
тугоплавких, жаростойких и жаропрочных конструкц. материалов, достижения неорганической химии
используются также для произ-ва активных в-в и электролитов в хим. источниках
тока, высокотемпературных электролитов, в ядерном реактостроении, ядерной энергетике
и произ-ве материалов для них (ядерного топлива, замедлителей нейтронов, конструкц.
материалов). Развивается произ-во 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 термохим. циклы разложения воды, к-рые м. б. использованы в
водородной энергетике.
Для с. х-ва ведется произ-во
минер. удобрений и кормовых добавок, нек-рых 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 разл. в-в в природе, прир. круговороты
в-в, влияние хозяйств. деятельности человека на эти процессы. Разрабатываются
новые технол. процессы, позволяющие снизить уровень нарушения экологич. равновесия
в природе, сохранить прир. ландшафты при добыче и переработке полезных ископаемых
(напр., в результате применения подземного выщелачивания). Решаются задачи
резкого уменьшения потребления воды в пром-сти, снижения кол-ва отходов (см.
Безотходные производства), повышения комплексности использования минер.
сырья, более полного использования вторичных ресурсов. См. также Охрана природы.
Методы неорганической химии и хим. технологии
применяют для ликвидации вредных выбросов в разл. отраслях произ-ва (напр.,
в энергетике при сжигании угля), для превращения отходов др. отраслей в полезные
продукты. Примерами являются изготовление строит. материалов из металлургич.
шлаков, пром. 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; Holle-man A. F.,
Wiberg E., Lehrbuch der anorganischen Chemie, B.-N.Y., 1985.
Г.А. Ягодин, Э.Г. Раков.