Die Struktur des Ionengerüsts in Kaliumoxid , K₂O

Die anorganische Chemie befasst sich mit der Synthese und dem Verhalten anorganischer und metallorganischer Verbindungen. Dieses Gebiet umfasst chemische Verbindungen , die nicht auf Kohlenstoff basieren und Gegenstand der organischen Chemie sind . Die Abgrenzung zwischen den beiden Disziplinen ist nicht absolut, da es im Teilgebiet der metallorganischen Chemie viele Überschneidungen gibt . Sie findet Anwendung in allen Bereichen der chemischen Industrie, darunter Katalyse , Materialwissenschaften , Pigmente , Tenside , Beschichtungen , Medikamente , Kraftstoffe und Landwirtschaft . [ 1 ]

Auftreten

Viele anorganische Verbindungen kommen in der Natur als Mineralien vor . [ 2 ] Der Boden kann Eisensulfid als Pyrit oder Calciumsulfat als Gips enthalten . [ 3 ] [ 4 ] Anorganische Verbindungen erfüllen auch vielfältige Funktionen als Biomoleküle : als Elektrolyte ( Natriumchlorid ), in der Energiespeicherung ( ATP ) oder im Aufbau (das Polyphosphat- Rückgrat der DNA ).

Bindung

Anorganische Verbindungen weisen ein breites Spektrum an Bindungseigenschaften auf. Einige sind ionische Verbindungen , die aus sehr einfachen Kationen und Anionen bestehen, welche durch Ionenbindungen verknüpft sind . Beispiele für Salze (ionische Verbindungen) sind Magnesiumchlorid (MgCl₂ ) , bestehend aus Magnesiumkationen (Mg²⁺ ) und Chlorid- Anionen (Cl⁻ ) , oder Natriumhydroxid (NaOH), bestehend aus Natriumkationen (Na⁺ ) und Hydroxid- Anionen (OH⁻ ) . Manche anorganische Verbindungen sind stark kovalent, wie beispielsweise Schwefeldioxid und Eisenpentacarbonyl . Viele anorganische Verbindungen weisen polare kovalente Bindungen auf, eine Bindungsform, die zwischen kovalenter und ionischer Bindung liegt. Diese Beschreibung trifft auf viele Oxide , Carbonate und Halogenide zu . Viele anorganische Verbindungen zeichnen sich durch hohe Schmelzpunkte aus . Einige Salze (z. B. NaCl ) sind sehr gut wasserlöslich.

Enthält ein Reaktant Wasserstoffatome , kann eine Reaktion durch Protonenaustausch in der Säure-Base-Chemie stattfinden . Allgemeiner ausgedrückt: Jede chemische Spezies, die Elektronenpaare binden kann, wird als Lewis-Säure bezeichnet; umgekehrt wird jedes Molekül, das dazu neigt, ein Elektronenpaar abzugeben, als Lewis-Base bezeichnet . [ 5 ] Als Weiterentwicklung der Säure-Base-Wechselwirkungen berücksichtigt die HSAB-Theorie die Polarisierbarkeit und die Größe von Ionen.

Teilgebiete der anorganischen Chemie

Die anorganische Chemie ist in zahlreiche Teilgebiete unterteilt, darunter:

Industrielle anorganische Chemie

Inorganic chemistry is a highly practical area of science. Traditionally, the scale of a nation's economy could be evaluated by their productivity of sulfuric acid.

An important man-made inorganic compound is ammonium nitrate, used for fertilization. The ammonia is produced through the Haber process.[6][7][8] Nitric acid is prepared from the ammonia by oxidation. Another large-scale inorganic material is portland cement. Inorganic compounds are used as catalysts such as vanadium(V) oxide for the oxidation of sulfur dioxide and titanium(III) chloride for the polymerization of alkenes. Many inorganic compounds are used as reagents in organic chemistry such as lithium aluminium hydride.[9]

Descriptive inorganic chemistry

Descriptive inorganic chemistry focuses on the classification of compounds based on their properties. Partly the classification focuses on the position in the periodic table of the heaviest element (the element with the highest atomic weight) in the compound, partly by grouping compounds by their structural similarities.

Coordination compounds

EDTAchelates an octahedrally coordinated Co3+ ion in [Co(EDTA)]−

Classical coordination compounds feature metals bound to "lone pairs" of electrons residing on the main group atoms of ligands such as H2O, NH3, Cl−, and CN−. In modern coordination compounds almost all organic and inorganic compounds can be used as ligands. The "metal" usually is a metal from the groups 3–13, as well as the trans-lanthanides and trans-actinides, but from a certain perspective, all chemical compounds can be described as coordination complexes.

The stereochemistry of coordination complexes can be quite rich, as hinted at by Werner's separation of two enantiomers of [Co((OH)2Co(NH3)4)3]6+, an early demonstration that chirality is not inherent to organic compounds. A topical theme within this specialization is supramolecular coordination chemistry.[10]

Coordination compounds show a rich diversity of structures, varying from tetrahedral for titanium (e.g., TiCl4) to square planar for some nickel complexes to octahedral for coordination complexes of cobalt. A range of transition metals can be found in biologically important compounds, such as iron in hemoglobin.

Main group compounds

Tetrasulfur tetranitride, S4N4, is a main group compound that continues to intrigue chemists

These species feature elements from groups I, II, III, IV, V, VI, VII, 0 (excluding hydrogen) of the periodic table. Due to their often similar reactivity, the elements in group 3 (Sc, Y, and La) and group 12 (Zn, Cd, and Hg) are also generally included, and the lanthanides and actinides are sometimes included as well.[11]

Hauptgruppenverbindungen sind seit den Anfängen der Chemie bekannt, z. B. elementarer Schwefel und destillierbarer weißer Phosphor . Experimente mit Sauerstoff ( O₂ ) von Lavoisier und Priestley identifizierten nicht nur ein wichtiges zweiatomiges Gas, sondern ebneten auch den Weg zur Beschreibung von Verbindungen und Reaktionen anhand stöchiometrischer Verhältnisse. Die Entdeckung einer praktischen Ammoniaksynthese mit Eisenkatalysatoren durch Carl Bosch und Fritz Haber Anfang des 20. Jahrhunderts hatte tiefgreifende Auswirkungen auf die Menschheit und demonstrierte die Bedeutung der anorganischen chemischen Synthese. Typische Hauptgruppenverbindungen sind SiO₂ , SnCl₄ und N₂O . Viele Hauptgruppenverbindungen können auch als metallorganisch klassifiziert werden, da sie organische Gruppen enthalten, z. B. B( CH₃ ) ₃ . Hauptgruppenverbindungen kommen auch in der Natur vor, z. B. Phosphat in der DNA , und können daher als bioanorganisch klassifiziert werden . Umgekehrt können organische Verbindungen, denen (viele) Wasserstoffliganden fehlen, als „anorganisch“ klassifiziert werden, wie beispielsweise Fullerene, Buckytubes und binäre Kohlenstoffoxide.

Zu den Edelgasverbindungen gehören verschiedene Derivate von Xenon und Krypton .

Organometallische Verbindungen

Organolithium-Reagenzien liegen meist in polymerer Form vor, wie beispielsweise das hier gezeigte n -Butyllithium.

Organometallverbindungen enthalten üblicherweise die MCH-Gruppe. [ 12 ] Das Metall (M) in diesen Verbindungen kann entweder ein Hauptgruppenelement oder ein Übergangsmetall sein. In der Praxis ist die Definition einer Organometallverbindung jedoch etwas weiter gefasst und umfasst auch stark lipophile Komplexe wie Metallcarbonyle und sogar Metallalkoxide .

Organometallische Verbindungen bilden eine Sonderkategorie, da organische Liganden häufig hydrolyse- oder oxidationsempfindlich sind. Dies erfordert in der Organometallchemie spezialisiertere Synthesemethoden als bei traditionellen Werner-Komplexen. Die Synthesemethodik, insbesondere die Möglichkeit, Komplexe in Lösungsmitteln mit geringer Koordinationskraft zu handhaben, ermöglichte die Untersuchung sehr schwach koordinierender Liganden wie Kohlenwasserstoffe, H₂ und N₂ . Da diese Liganden in gewisser Weise petrochemische Eigenschaften besitzen, profitiert die Organometallchemie stark von ihrer industriellen Relevanz.

Clusterverbindungen

Decaboran ist eine hochgiftige Clusterverbindung von Bor.
Eisen-Schwefel-Cluster sind zentrale Bestandteile von Eisen-Schwefel-Proteinen und für den menschlichen Stoffwechsel unerlässlich.

Cluster finden sich in allen Klassen chemischer Verbindungen . Gemäß der gängigen Definition besteht ein Cluster mindestens aus einer dreieckigen Anordnung von Atomen, die direkt miteinander verbunden sind. Metallisch-metallisch gebundene dimetallische Komplexe sind in diesem Bereich besonders relevant. Cluster treten in „reinen“ anorganischen Systemen, in der Organometallchemie, der Hauptgruppenchemie und der bioanorganischen Chemie auf. Die Grenze zwischen sehr großen Clustern und Festkörpern verschwimmt zunehmend. Diese Schnittstelle bildet die chemische Grundlage der Nanowissenschaften bzw. der Nanotechnologie und ergibt sich insbesondere aus der Untersuchung von Quantengrößeneffekten in Cadmiumselenid- Clustern. Große Cluster lassen sich daher als Anordnung gebundener Atome beschreiben, deren Eigenschaften zwischen denen eines Moleküls und eines Festkörpers liegen.

Bioanorganische Verbindungen

Das oktaedrische Kobaltzentrum von Vitamin B 12

Definitionsgemäß kommen diese Verbindungen natürlich vor, doch das Teilgebiet umfasst auch anthropogene Substanzen wie Schadstoffe (z. B. Methylquecksilber ) und Arzneimittel (z. B. Cisplatin ). [ 13 ] Das Gebiet, das viele Aspekte der Biochemie integriert, beinhaltet zahlreiche Verbindungstypen, z. B. die Phosphate in der DNA, sowie Metallkomplexe mit Liganden, die von biologischen Makromolekülen, üblicherweise Peptiden , bis hin zu schlecht definierten Spezies wie Huminsäure und Wasser (z. B. koordiniert an Gadoliniumkomplexe , die in der MRT eingesetzt werden ) reichen. Traditionell konzentriert sich die bioanorganische Chemie auf den Elektronen- und Energietransfer in Proteinen, die für die Atmung relevant sind. Die medizinische anorganische Chemie umfasst die Untersuchung sowohl nicht-essentieller als auch essentieller Elemente mit Anwendungen in Diagnose und Therapie.

Festkörperverbindungen

YBa 2 Cu 3 O 7 , oder YBCO, ist ein Hochtemperatur -Supraleiter , der bei Temperaturen unterhalb seiner kritischen Temperatur von etwa 90 K (−183 °C) über einem Magneten schweben kann.

Dieses wichtige Gebiet befasst sich mit der Struktur [ 14 ] , den Bindungen und den physikalischen Eigenschaften von Materialien. In der Praxis nutzt die Festkörperchemie Techniken wie die Kristallographie , um die Eigenschaften zu verstehen, die sich aus kollektiven Wechselwirkungen zwischen den Untereinheiten des Festkörpers ergeben. Zur Festkörperchemie gehören Metalle und ihre Legierungen oder intermetallischen Verbindungen. Verwandte Gebiete sind die Physik der kondensierten Materie , die Mineralogie und die Materialwissenschaft .

Spektroskopie und Magnetismus

Im Gegensatz zu den meisten organischen Verbindungen sind viele anorganische Verbindungen magnetisch und/oder farbig. Diese Eigenschaften liefern Informationen über die Bindungsverhältnisse und die Struktur. Der Magnetismus anorganischer Verbindungen kann komplex sein. Beispielsweise sind die meisten Kupfer(II)-Verbindungen paramagnetisch, Cu( II) ₂ (OAc) ₄ (H₂O ) ₂ hingegen ist unterhalb Raumtemperatur nahezu diamagnetisch. Dies lässt sich durch magnetische Kopplung zwischen Cu(II)-Ionenpaaren im Acetat erklären.

Qualitative Theorien

Die Kristallfeldtheorie erklärt, warum [Fe III (CN) 6 ] 3− nur ein ungepaartes Elektron besitzt.

Die anorganische Chemie hat stark von qualitativen Theorien profitiert. Diese Theorien sind leichter zu erlernen, da sie nur geringe Vorkenntnisse in der Quantentheorie voraussetzen. Bei Hauptgruppenverbindungen liefert die VSEPR- Theorie überzeugende Vorhersagen oder zumindest Erklärungen für deren Strukturen , beispielsweise warum NH₃ pyramidal und ClF₃ T-förmig ist. Bei den Übergangsmetallen ermöglicht die Kristallfeldtheorie das Verständnis des Magnetismus vieler einfacher Komplexe, etwa warum [Fe³⁺ ( CN) ₆ ] ³⁻ nur ein ungepaartes Elektron besitzt, während [Fe³⁺ ( H₂O ) ₆ ] ³⁺ fünf ungepaarte Elektronen aufweist. Ein besonders aussagekräftiger qualitativer Ansatz zur Beurteilung von Struktur und Reaktivität beginnt mit der Klassifizierung von Molekülen anhand ihrer Elektronendichte , wobei der Fokus auf der Anzahl der Valenzelektronen liegt, die sich üblicherweise am Zentralatom eines Moleküls befinden.

Theorie der Molekülsymmetriegruppen

Stickstoffdioxid , NO₂ , weist C₂v - Symmetrie auf.

Ein zentrales Konzept der Chemie ist die Molekülsymmetrie , wie sie in der Gruppentheorie beschrieben wird . Anorganische Verbindungen weisen eine besonders große Vielfalt an Symmetrien auf, daher ist die enge Verbindung zwischen Gruppentheorie und anorganischer Chemie naheliegend. [ 15 ] Die Gruppentheorie liefert die Sprache, um die Formen von Molekülen anhand ihrer Punktgruppensymmetrie zu beschreiben . Sie ermöglicht zudem die Faktorisierung und Vereinfachung theoretischer Berechnungen.

Spektroskopische Merkmale werden hinsichtlich der Symmetrieeigenschaften unter anderem der Schwingungs- oder Elektronenzustände analysiert und beschrieben. Die Kenntnis der Symmetrieeigenschaften des Grund- und angeregten Zustands ermöglicht die Vorhersage der Anzahl und Intensität von Absorptionen in Schwingungs- und Elektronenspektren. Eine klassische Anwendung der Gruppentheorie ist die Vorhersage der Anzahl von C–O-Schwingungen in substituierten Metallcarbonylkomplexen. Die häufigsten Anwendungen der Symmetrie in der Spektroskopie betreffen Schwingungs- und Elektronenspektren.

Die Gruppentheorie hebt Gemeinsamkeiten und Unterschiede in der Bindung ansonsten unvereinbarer Spezies hervor. Beispielsweise transformieren sich die metallbasierten Orbitale von WF₆ und W(CO)₆ identisch , ihre Energien und Besetzungszahlen unterscheiden sich jedoch deutlich. Eine ähnliche Beziehung besteht zwischen CO₂ und molekularem Berylliumdifluorid .

Thermodynamik und anorganische Chemie

Ein alternativer quantitativer Ansatz in der anorganischen Chemie konzentriert sich auf Reaktionsenergien. Dieser Ansatz ist zwar traditionell und empirisch , aber dennoch nützlich. Zu den grundlegenden, thermodynamisch formulierten Konzepten gehören Redoxpotential , Acidität und Phasenübergänge . Ein klassisches Konzept der anorganischen Thermodynamik ist der Born-Haber-Kreisprozess , der zur Bestimmung der Energien elementarer Prozesse wie der Elektronenaffinität dient , von denen einige nicht direkt beobachtet werden können.

Mechanistische anorganische Chemie

Ein wichtiger Aspekt der anorganischen Chemie befasst sich mit Reaktionswegen, d. h. Reaktionsmechanismen .

Hauptgruppenelemente und Lanthanoide

Die Reaktionsmechanismen der Hauptgruppenverbindungen der Gruppen 13–18 werden üblicherweise im Kontext der organischen Chemie diskutiert (organische Verbindungen sind schließlich auch Hauptgruppenverbindungen). Elemente, die schwerer als C, N, O und F sind, bilden häufig Verbindungen mit mehr Elektronen, als die Oktettregel vorhersagt , wie im Artikel über hypervalente Moleküle erläutert wird. Aus diesem Grund unterscheiden sich ihre Reaktionsmechanismen von denen organischer Verbindungen. Elemente, die leichter als Kohlenstoff sind ( B , Be , Li ) sowie Al und Mg bilden oft elektronenarme Strukturen, die elektronisch Carbokationen ähneln . Solche elektronenarmen Spezies reagieren tendenziell über assoziative Wege. Die Chemie der Lanthanoide spiegelt viele Aspekte der Chemie des Aluminiums wider.

Übergangsmetallkomplexe

Übergangsmetall- und Hauptgruppenverbindungen reagieren oft unterschiedlich. [ 16 ] Die wichtige Rolle der d-Orbitale bei der Bindung beeinflusst maßgeblich die Wege und Geschwindigkeiten der Ligandensubstitution und -dissoziation. Diese Themen werden in Artikeln zur Koordinationschemie und zu Liganden behandelt . Sowohl assoziative als auch dissoziative Reaktionswege werden beobachtet.

An overarching aspect of mechanistic transition metal chemistry is the kinetic lability of the complex illustrated by the exchange of free and bound water in the prototypical complexes [M(H2O)6]n+:

[M(H2O)6]n+ + 6 H2O* → [M(H2O*)6]n+ + 6 H2O
where H2O* denotes isotopically enriched water, e.g., H217O

The rates of water exchange varies by 20 orders of magnitude across the periodic table, with lanthanide complexes at one extreme and Ir(III) species being the slowest.

Redox reactions

Redox reactions are prevalent for the transition elements. Two classes of redox reaction are considered: atom-transfer reactions, such as oxidative addition/reductive elimination, and electron-transfer. A fundamental redox reaction is "self-exchange", which involves the degenerate reaction between an oxidant and a reductant. For example, permanganate and its one-electron reduced relative manganate exchange one electron:

[MnO4]− + [Mn*O4]2− → [MnO4]2− + [Mn*O4]−

Reactions at ligands

Koordinierte Liganden weisen eine von freien Liganden abweichende Reaktivität auf. Beispielsweise ist die Acidität der Ammoniakliganden in [Co(NH₃ ) ₆ ] ³⁺ im Vergleich zu NH₃ selbst erhöht. An Metallkationen gebundene Alkene reagieren mit Nukleophilen, während Alkene im Normalfall inaktiv sind. Das umfangreiche und industriell bedeutende Gebiet der Katalyse beruht auf der Fähigkeit von Metallen, die Reaktivität organischer Liganden zu modifizieren. Homogene Katalyse findet in Lösung statt, heterogene Katalyse hingegen bei der Wechselwirkung gasförmiger oder gelöster Substrate mit Oberflächen von Feststoffen. Traditionell wird die homogene Katalyse der Organometallchemie zugeordnet, während die heterogene Katalyse im Kontext der Oberflächenwissenschaft , einem Teilgebiet der Festkörperchemie , diskutiert wird . Die grundlegenden anorganischen chemischen Prinzipien bleiben jedoch dieselben. Übergangsmetalle reagieren nahezu ausschließlich mit kleinen Molekülen wie CO, H₂ , O₂ und C₂H₄ . Die industrielle Bedeutung dieser Ausgangsmaterialien treibt das aktive Gebiet der Katalyse voran. Liganden können auch Ligandentransferreaktionen wie die Transmetallierung eingehen .

Charakterisierung anorganischer Verbindungen

Aufgrund der Vielfalt der Elemente und der damit einhergehenden unterschiedlichen Eigenschaften ihrer Derivate ist die anorganische Chemie eng mit zahlreichen Analysemethoden verknüpft. Ältere Methoden untersuchten vorwiegend Eigenschaften des Materials, wie die elektrische Leitfähigkeit von Lösungen, Schmelzpunkte , Löslichkeit und Säurestärke . Mit dem Aufkommen der Quantentheorie und der damit einhergehenden Weiterentwicklung elektronischer Geräte wurden neue Werkzeuge zur Untersuchung der elektronischen Eigenschaften anorganischer Moleküle und Festkörper eingeführt. Diese Messungen liefern häufig Erkenntnisse, die für theoretische Modelle relevant sind. Gängige Techniken sind:

Synthetische anorganische Chemie

Obwohl einige anorganische Verbindungen in reiner Form aus der Natur gewonnen werden können, werden die meisten in Chemieanlagen und im Labor synthetisiert.

Anorganische Synthesemethoden lassen sich grob nach der Flüchtigkeit oder Löslichkeit der Ausgangsstoffe einteilen. [ 17 ] Lösliche anorganische Verbindungen werden mit Methoden der organischen Synthese hergestellt . Für metallhaltige Verbindungen, die mit Luft reagieren, kommen Schlenk-Linien und Handschuhkastentechniken zum Einsatz. Flüchtige Verbindungen und Gase werden in Vakuumverteilern gehandhabt, die aus durch Ventile verbundenen Glasrohren bestehen und auf 0,001 mmHg oder weniger evakuiert werden können. Die Verbindungen werden mit flüssigem Stickstoff (Siedepunkt 78 K) oder anderen Kryogenen kondensiert . Feststoffe werden typischerweise in Rohröfen hergestellt, wobei die Reaktanten und Produkte in Behältern eingeschlossen werden, die häufig aus Quarzglas (amorphem SiO₂), aber manchmal auch aus spezielleren Materialien wie geschweißten Tantalrohren oder Platin-„Schiffchen“ bestehen . Produkte und Reaktanten werden zwischen den Temperaturzonen transportiert, um die Reaktionen anzutreiben.

Siehe auch

Referenzen

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