Неорганическая химия

НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, наука о хим. элементах и образуемых ими простых и сложных в-вах, за исключением орг. соединений.

Понятие "Н. х." (минер. химия) появилось первоначально для обозначения в-в минер. происхождения.

Осн. задачи соврем. Н. х.: 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 Н.х.-теоретич., синтетич. и прикладная Н.х. 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 Н. х.-координац. химия, или химия координационных соединений. Нередко обособляют химию переходных элементов.

Границы между Н.х. 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, Н. х. неразрывно связана с физ. химией, к-рая может считаться теоретич. и методологич. основой совр. химии, с аналит. химией-одним из главных инструментов химии.

Н.х. отчасти пересекается с орг. химией, особенно с химией металлоорг. соед., бионеорг. химией и др.

Теоретич. представления Н.х. используют в геохимии, космохимии, химии твердого тела, химии высоких энергий, радиохимии, ядерной химии, в нек-рых разделах биохимии и агрохимии.

Прикладная часть Н.х. 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 Н.х. тесно связана с общей историей химии, а вместе с ней-с историей естествознания и историей человеческой цивилизации. Составные разделы истории Н.х.-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 Н.х. 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 Н.х. явились работы И. Берце-лиуса, 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 Н.х. 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. Курна-ков, Л. А. Чугаев, И. И. Черняев, О. Е. Звягинцев, А. А. Гринберг) были положены в основу методов аффинажа благородных металлов. Совр. период Н. х. 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 Н.х. 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 Н.х. 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 Н.х.

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 Н.х.

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 Н.х. 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 Н.х. возникли задачи получения особо чистых в-в, что потребовало резкого улучшения методов очистки и анализа. Инструментю методы анализа в этой области Н. х. 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 Н.х. 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 Н.х. 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 Н.х. 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 Н.х. большое внимание уделяется неорг. материалам -сформировались такие области Н.х., 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 Н.х. 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 Н.х. Этот раздел Н.х. рассматривает вопросы хим. связи в неорг. в-вах, структуры в-в, их св-ва и реакц. способность. Основными в Н. х. 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 Н. х. 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. Н.х. активно использует методы хим. термодинамики и хим. кинетики.

Теоретич. Н.х. изучает также закономерности образования дефектов кристаллич. решетки, влияние дефектов на св-ва в-в, исследует кинетику твердофазных процессов.

Нек-рые вопросы, разрабатываемые теоретич. Н. х., 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 Н. х. и ремеслами - основой зарождавшейся пром-сти. Позднее Н. х. стала научной базой мн. произ-в, определяющих уровень пром. развития отдельных стран и всего человечества.

Прикладной частью Н. х. 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 Н. х. 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 Н.х. 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 Н.х. 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 Н. х. 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.