неорганическая химия

НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

наука о хим. элементах и образуемых ими простых и сложных веществах, за исключением орг. соединений.

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

Осн. задачи соврем. Н. х.: изучение строения, свойств и хим. реакций простых веществ и соед., взаимосвязи строения со свойствами и реакц. способностью веществ, разработка методов синтеза и глубокой очистки веществ, 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 свойствам и применению веществ (химия тугоплавких веществ, 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 вещества или реакции м. б. объектами исследования разл. хим. дисциплин.

Как и мн. др. хим. науки, Н. х. неразрывно связана с физ. химией, которая 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 некоторых разделах биохимии и агрохимии.

Прикладная часть Н.х. связана с хим. технологией, металлургией, галургией, электроникой, с добычей полезных ископаемых, производством керамики, строительных, конструкционных, а также оптич. и др. неорг. материалов, с обеспечением работы энергетич. установок (напр., АЭС), с сельским хозяйством, 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 веществе, 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 некоторые сплавы (в частности, отдельные амальгамы), соли, неск. кислот 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. средств 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 производства азотной, соляной и серной кислот, разл. солей (поваренная соль, квасцы, бура, нашатырь, сульфат цинка), минер. красителей, керамики.

Нач. 18 в. связано с распространением теории флогистона-некоего вещества, 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 вещества — водород, азот, хлор и кислород.

М. В. Ломоносов и А. Лавуазье сформулировали закон сохранения массы при химических реакциях. Лавуазье показал несостоятельность теории флогистона, дал определение хим. элемента (вещество, которое 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 вещества (который 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 веществ, а на ее основе — кратных отношений закон, ввел понятие атомной массы.

Этапными для развития Н.х. явились работы И. Берце-лиуса, который 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 количества 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 веществ; 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 растворов.

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 которого были исправлены атомные массы мн. элементов и предсказаны свойства неизвестных в то время веществ. 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, некоторое 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, кислоты 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 количества 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 некоторые 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 производства 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. промышленности 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, производств орг. веществ, 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. реакций галогенирования. Многообразие соед. галогенов и широкий диапазон их свойств 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 количествах 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 веществ, 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 некоторых редких металлов и химии актиноидов, что связано с определенными аналогиями в электронном строении и химических свойствах всех этих элементов и определяет их совместное присутствие в некоторых прир. источниках. Уникальные свойства РЗЭ были изучены и реализованы лишь начиная с 60-70-х гг. Особенностью этих элементов является близость их хим. и многих физ. свойств, 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 веществами 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) веществ, влияние не-значит. изменений состава кристаллов на их свойства 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. веществах, структуры веществ, их свойства и реакц. способность. Основными в Н. х. являются периодич. закон, закон постоянства состава веществ и др. Однако ключевой проблемой сейчас является природа хим. связи. В неорг. веществах 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 которыми 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 веществ) и магн. свойствам веществ (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 свойства веществ, исследует кинетику твердофазных процессов.

Некоторые вопросы, разрабатываемые теоретич. Н. х., являются одновременно и проблемами физики и физ. химии. Например, 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. свойства, а также реакционная способность простых веществ и неорг. соед. изменяются в очень широких пределах. Поэтому для синтеза неорг. веществ используют широкий набор разл. методов (см. неорганический синтез). В общем виде простейший синтез включает смешение реагентов, активацию смеси, собственно химическую реакцию, 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 веществ в виде монокристаллов (см. монокристаллов выращивание), монокристаллич. пленок, в т. ч. эпитаксиальных (см. эпитаксия), и нитевидных кристаллов, волокон, а также в аморфном состоянии. Некоторые реакции проводят в условиях горения, напр. синтез тугоплавких соед. из смеси порошков простых веществ (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 промышленности. Позднее Н. х. стала научной базой мн. производств, определяющих уровень пром. развития отдельных стран и всего человечества.

Прикладной частью Н. х. традиционно считается технология неорг. веществ. Она связана с крупномасштабными про-из-вами серной, соляной, фосфорной, азотной кислот, соды, аммиака, хлора, фтора, фосфора, а также солей натрия, калия, магния и др. (см. галургия), диоксида углерода, водорода, разл. минер. удобрений и мн. др. веществ. Большая часть этих продуктов потребляется др. хим. производствами, металлургией и при получении конструкц. материалов.

Прикладная Н. х. играет существ. роль в развитии важнейших отраслей народного хозяйства. Так, в машиностроении и строительстве широко используют материалы, получаемые из минер. сырья хим. методами. Это, напр., металлы и сплавы, минер. красители, твердые сплавы для режущего инструмента.

В таких отраслях промышленности, как электроника, электротехника, приборостроение, применение новых неорг. материалов позволяет повысить техн. уровень производства и выпускаемых товаров. Примерами являются вещества 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 производства активных веществ и электролитов в хим. источниках тока, высокотемпературных электролитов, в ядерном реактостроении, ядерной энергетике и производстве материалов для них (ядерного топлива, замедлителей нейтронов, конструкц. материалов). Развивается производство 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, которые м. б. использованы в водородной энергетике.

Для сельского хозяйства ведется производство минер. удобрений и кормовых добавок, некоторых 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. веществ в природе, прир. круговороты веществ, 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 промышленности, снижения количества 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 производства (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}