Neorganska hemija

Kristalna struktura natrij hlorida

Neorganska hemija ili anorganska hemija je grana hemije o svim hemijskim spojevima koji ne sadrže ugljik, uz neke malobrojne izuzetke. Granična oblast neorganske prema organskoj hemiji su organometalni spojevi. Dok ti spojevi u organskoj hemiji služe samo kao pomoćna sredstva ili reagensi, anorganska hemija posmatra koordinacijsku hemiju metala.

Historijski, anorganska hemija se bavi supstancama koje nisu nastale kao posljedica organskog života odnosno kao proizvod živih bića. Od sinteze uree 1828. godine koju je izveo Friedrich Wöhler, kada je dobio organsku supstancu ureu iz neorganskog spoja amonij-cijanata, nestala je jasna granica između supstanci iz nežive (neorganski spojevi) i žive prirode (organski spojevi). Tako je danas poznato da brojni organizmi proizvode neorganske spojeve, dok se u laboratoriji mogu dobiti gotovo svi organski spojevi. Istovremeno moderno razlikovanje između ove dvije oblasti je i dalje smisleno, jer se mehanizmi reakcija i struktura spojeva u organskoj i neorganskoj hemiji značajno razlikuju.

Historija

Mnogi neorganski spojevi i neke neorganske reakcije su bile poznate još u antici. Dobijanje metala iz ruda (zlato, srebro, bakar, kalaj, olovo, živa), proizvodnja keramike, stakla (Egipat), porcelana (Kina), mineralnih boja (cinabarit, olovna bijela, bakar zelena), sumpor, kreč (u građevinarstvu), soli (poput kuhinjske), soda (za pravljenje stakla i sapuna), šalitra i mnogi drugi spojevi također spadaju u neorgansku.

U doba alhemičara, u 13. vijeku, bile su poznate metode pravljenja sumporne kiseline, razrijeđene hlorovodične kiseline, dušične kiseline, zlatotopke (smjese dušične i hlorovodične kiseline za rastvaranje zlata), a mnoge od njih u Evropu donijeli su arapski alhemičari. Kasnije je Johann Rudolf Glauber oko 1650. značajno unaprijedio proces proizvodnje mnogih kiselina, kao i način dobijanja pušljive hlorovodične kiseline.

Robert Boyle u svom glavnom djelu The Sceptical Chemist opisao je udaljavanje od aristotelskih teorija alhemije i uvođenje eksperimentalnog istraživanja i zaključaka koje se izvode na tim eksperimentima. Značajna je njegova pretpostavka da su hemijski elementi sastavljeni iz nerazdvojivih, istih, sićušnih atoma, dok su hemijski spojevi sastavljeni iz brojnih, malih ali različitih elemenata. Georg Ernst Stahl i Johann Joachim Becher su početkom 18. vijeka razvili teoriju flogistona. Ovom teorijom, koja se 80 godina kasnije ispostavila kao netačna, mogli su se na hemijski način objasniti procesi sagorijevanja, oksidacije i redukcije kao i vrenja. Uzrok zašto se teorija flogistona ispostavila kao netačnom je do tada nepoznata i neotkrivena supstanca u zraku, koja je kasnije otkrivena kao kisik.

Joseph Priestley je intenzivno proučavao zrak i otkrio da je u sastavu zraka sadržana supstanca koje omogućava disanje i podržava oksidaciju metala do metalnih oksida. Zagrijavanjem živa(II)-oksida, Priestley je uspio dobiti supstancu u gasovitom stanju koja omogućava disanje i sagorijevanje, a uspio je i odrediti udio ovog gasa u zraku. Tek Antoine Lavoisier je izučavajući rezultate do kojih je došao Priestley iz njegovih istraživanja donio zaključak da ova novootkrivena supstanca (kisik) mora biti novi hemijski element. Na temelju Lavoisierovih zaključaka potvrđena je teorija elemenata koju je Boyle postavio, kao i teoriju da su elementi sastavljeni iz brojnih, identičnih, nedjeljivih atoma. Također potvrđeno je i shvatanje da se hemijski spoj sastoji iz više različitih elemenata.

Kao čisti elementi tada su razvrstani metali zlato, srebro, bakar, kalaj, olovo, cink, kao i nemetalni elementi fosfor, sumpor, ugljik, kisik, dušik i drugi. Osim toga, Lavoisier je spoznao da se pri svakoj reakciji i hemijskoj promjeni supstanci zbir mâsa ulaznih i izlaznih proizvoda ostaje ista (Zakon održanja mase). Stari, alhemijski simboli i opisi neorganskih supstanci su zamijenjeni racionalnim oznakama sa pojedinačnim elementarnim jedinicama hemijskih spojeva. Lavoisierova teorija oksidacije predstavljala je revolucionarnu novinu u hemiji, koja je omogućila budućim hemičarima da pronalaze nove elemente.

Gotovo u isto vrijeme desilo se i otkriće električne struje, za šta su zaslužni Luigi Galvani i Alessandro Volta. Pomoću tada napravljenog Voltinog stuba uspjelo je razlaganjem vode dobiti gasovite elemente kisik i vodik i odrediti tačan sastav vode mjerenjem zapremine i težine oba gasa.

Humphry Davy je pomoću Voltinog stuba uspio dobiti nove elemente natrij i kalij. John Dalton je sastavio, doduše vrlo nepreciznu, tabelu atomskih masa za sve do tada poznate elemente, a Jacob Berzelius je pronašao način za određivanje relativno tačnih atomskih masa metala i drugih elemenata i razvio sistem označavanja elemenata sa jednim ili dva latinična slova zasnovan na latinskim imenima elemenata. Također je uveo pojam relativne atomske mase sa kisikom kao osnovnom masom. Amedeo Avogadro je postavio hipotezu da se u prostoru iste veličine i na istoj temperaturi uvijek mora nalaziti isti broj čestica nekog gasa. U narednom periodu uslijedila je potraga za novim hemijskim elementima, određivanjima njihovih tačnih relativnih atomskih masa i istraživanje njihovih osobina kroz reakcije sa drugim spojevima, što su bili osnovni pravci djelovanja tadašnjih hemičara u oblasti neorganske hemije.

Joseph Louis Gay-Lussac je razvio titraciju te je mogao odrediti količinski udio pojedinih elemenata u nekom neorganskom spoju. Kasnije se počelo koristiti i elektrogravimetrijsko taloženje za određivanje udjela mineralnih uzoraka. Robert Bunsen je poboljšao metodu dobijanja struje izumom baterije na bazi cinka i ugljika. U njegovoj laboratoriji došlo je do otkrića novih elemenata magnezija, hroma i stroncija. Spektralna analiza koju je Bunsen usavršio dovela je kasnije i do otkrića elemenata cezija i rubidija, a kasnije je i William Ramsay došao do otkrića helija.

Lothar Meyer i Dmitrij Mendeljejev su sortirali hemijske elemente po atomskim masama i osobinama spajanja sa drugim u periodni sistem elemenata. Na taj način moglo se lakše predvidjeti hemijsko ponašanje elemenata kao i traženje još nepoznatih elemenata u sistemu.

Svante August Arrhenius, Jacobus Henricus van 't Hoff i Wilhelm Ostwald su došli do zaključka da su molekule kiselina, baza i soli u vodenim rastvorima zapravo u obliku iona. Ovo otkriće disocijacije soli i kiselina bilo je osnova za nove važne spoznaje (npr. mehanizme reakcije i hemijsku kinetiku) kao i za nove metode mjerenja u hemiji (npr. mjerenje pH vrijednosti, konduktometrije i sl.).

Spojevi

Glavni članak: Spisak neorganskih spojeva

Među neorganske spojeve se tradicionalno ubrajaju elementi i svi hemijski spojevi koji ne sadrže ugljik. Njima se dodaju i neki izuzeci spojeva ugljika, koji su izgrađeni kao i tipični neorganski spojevi ili se historijski ubrajaju u neorganske. To su halkogenidi ugljika bez prisustva vodika (ugljik-dioksid, ugljik-monoksid, ugljik-disulfid, ugljična kiselina i karbonati, karbidi kao i ionski cijanidi, cijanati i tiocijanati. Cijanovodik (cijanovodična kiselina) se smatra graničnim slučajem te ga proučava i organska i neorganska hemija. Iako se tradicionalno ubraja u neorgansku hemiju, on se smatra nitrilom (organska grupa spojeva) metanske kiseline.

Literatura, knjige i udžbenici iz organske hemije su grupirani po hemijskim elementima periodnog sistema. U većini knjiga obrađeni su obim rasprostranjenosti elemenata ili hemijskih spojeva i načini njihovog dobijanja iz minerala, soli, vodenih rastvora ili gasova. Osim toga, opisani su važnije reakcije ovih sa drugim elementima.

Metali

Među 118 hemijskih elemenata periodnog sistema 76% su metali. Već u periodu od 3000. do 2000. p.n.e. čovjek je iz ruda dobijao brojne metale kao što su kalaj, bakar, srebro i željezo. Ti i drugi metali dobijali su se jakim zagrijavanjem mineralnih ruda. Gotovo svi metali na sobnoj temperaturi su u čvrstom stanju i mogu se većim ili manjim zagrijavanjem istopiti. Izuzetak predstavlja živa koja je na sobnoj temperaturi u tečnom stanju. Mogućnost oblikovanja istopljenih metala danas se koristi u velikom obimu za izradu raznih korisnih predmeta. Karakteristika mnogih metala je dobra provodljivost toplote i električne struje.

Od 19. vijeka metali su se počeli dobijati pomoću električne struje (elektrolizom i elektrolitičkim rafiniranjem). Pri tom su otkriveni i novi elementi, poput aluminija, alkalnih i zemnoalkalnih metala. U mnoge svrhe upotrebe potrebni su lahki metali kao što je aluminij ili titanij, čime se dobija na smanjenju potrošnje energije i goriva za avione, automobile, željezničke lokomotive i brojne druge mašine. Zbog otpornosti na temperature i velike čvrstoće, željezo je najvažniji metal u automobilskoj industriji. Međutim, površina željeznih predmeta podložna je stvaranju hrđe u vlažnoj okolini. Sve do 1980tih godina mnoga vozila su bila izložena značajnom pojavom korozije što im je smanjivalo vijek upotrebe. Desetak godina kasnije, krajem 20. i početkom 21. vijeka, gotovo sva vozila imaju zaštitni sloj na karoseriji izrađen od nehrđajućih metala, kao što je cink.

Metali se upotrebljavaju i za dobijanje električne struje u sklopu baterija i akumulatora. U nekim jeftinijim baterijama na bazi cinka i ugljika tokom pražnjenja cink se oksidira u cinkove soli. Osim njih postoje i baterije na bazi nikla i metalnih hidrida (mogu se ponovno puniti), litijske baterije (vrlo lahke) ili nešto jeftinije punjive baterije na bazi olova i olovo oksida. Legiranje metala može dati metalima mnoge bolje osobine nego što ih ispoljavaju čisti elementi. Naprimjer duraluminij je mješavina sastavljena iz magnezija, bakra i aluminija koja ima mnogo veću čvrstoću od čistog aluminija. Woodov metal je legura od 50% bizmuta, 26,7% olova, 13,3% kalaja i 10% kadmija sa izuzetno niskom tačkom topljenja a koristi se za topive oblike. Druge važne legure su bronza (bakar i kalaj), mesing (bakar i cink) i čelik (željezo sa različitim udjelima drugih metala, ali obavezno ugljika).

Neki metali se mogu spajati sa nemetalima u kristalne strukture ispoljavajući nove osobine. Silicij se spaja sa germanijem, indijem ili arsenom. Tako nastali kristali se koriste kao poluprovodnici (diode i svjetleće diode) u elektronici. Drugi metali, poput tantala, pronašli su upotrebu kao kondenzatori. Metali ili metalni ioni pri reakcijama u gasnoj fazi ili nekoj tečnosti djeluju kao katalizatori, naprimjer željezo pri reakcijama amonijaka ili ioni aluminija kod sinteze polietilena.

Soli i minerali

Molekula vode

Voda je najvažnija supstanca neorganske hemije. Ona ima kovalentne, polarne veze između atoma i može dobro rastvarati mnoge neorganske soli. Temperaturni raspon između tačke topljenja i tačke ključanja vode omogućava život na našoj planeti rastvorljivošću organskih i neorganskih supstanci u tekućoj vodi.

Neorganske soli se razlikuju među sobom po rastvorljivosti u vodi. Zbog različitih nivoa rastvorljivosti u vodi mnoge soli se mogu odvojiti jedna od druge putem filtriranja. Mješavina dvije soli koja su rastvorljive u vodi, naprimjer barij-hlorid i natrij-sulfat, može dovesti do stvaranja teško rastvorvljive soli (kao što je barij-sulfat). Ako je proizvod rastvorljivosti neke soli nizak, on se istaloži.

Mnogi kationi metala sa sulfidnim anionima grade rastvor teško rastvorljivih sulfida. Pravilnim izborom kiselina i baza određene grupe hemijskih elemenata se mogu prevesti u taloge svojih sulfida, te se zatim mogu odrediti ili izmjeriti. U analitičkoj hemiji taloženje sulfida je jedan od važnijih koraka za proučavanje metalnih kationa. Oni se također nalaze i u sastavu stijena i minerala. Metali u stijenama često su vezani u obliku silikata a oni nisu gotovo nikako rastvorljivi u vodi. Osim vrlo jakih kiselina, neorganski hemičari koriste i sodu (natrij hidroksid) za rastvaranje sadržaja stijena.

• Beton: U građevinarstvu, silikati imaju veoma važnu ulogu, naprimjer aluminij silikati, koji su poznati i kao glina. Ako se glina pomiješa sa krečom nastaje cement. Miješanjem pijeska i isitnjenog kamenja sa cementnim malterom nastaje beton. Gotovo sve moderne građevine danas najvećim dijelom sadrže beton.
• Porcelan: Druga vrsta gline je kaolin. Pomiješan sa kvarcom i feldspatom, kaolin se peče i nastaje porcelan.
• Staklo: Ukoliko se u kvarcni pijesak doda soda i zagrijava na 1000 °C, nastaje staklo.

Slabo rastvorljive soli se koriste i kao pigmenti koji daju boju lakovima. Neorganski spojevi imaju veliki značaj i kao umjetna đubriva. Ove soli su uglavnom dobro rastvorljive u vodi, mada pri đubrenju nije dobra osobina ni prevelika rastvorljivost. Amonij sulfat, kalij-hlorid i fosfatna đubriva (nešto slabije rastvorljiva u vodi) u znatnoj mjeri poboljšavaju plodnost tla.

Kiseline i baze

Neke od važnijih neorganskih (mineralnih) kiselina su:

• H₂SO₄ - sumporna kiselina
• HCl - hlorovodična kiselina (solna kiselina)
• HNO₃ - dušična kiselina
• H₃PO₄ - fosfatna kiselina

Među važne neorganske baze spadaju:

• natrij-hidroksid
• amonijak

Neorganske kiseline i baze su neophodne za dobijanje neorganskih soli i mnogih organskih supstanci. Količinski, sumporna kiselina je najvažniji spoj cijele hemijske industrije. Djelovanjem neorganskih kiselina metali se razlažu u soli istiskujući vodik iz kiselina. Znanje o kiselinama i bazama je znatno prošireno teorijom disocijacije.

Gasovi

Mnoge reakcije sa neorganskim spojevima su povezane sa otpuštanjem raznih gasova. Pri elektrolizi vode nastaju gasovi vodik i kisik.

Kod hlor-alkalne elektrolize nastaju gasovi vodik i hlor. Oni mogu međusobno reagirati dajući gas hlorovodik, koji dalje reagirajući sa vodom gradi hlorovodičnu kiselinu. Sagorijevanjem sumpora u zraku razvija se gas sumpor-dioksid. U prisustvu katalizatora (vanadij oksida) dvije molekule sumpor dioksida mogu reagirati sa jednim atomom kisik gradeći sumpor-trioksid. Rastvarajući se u vodi, sumpor trioksid daje sumpornu kiselinu. Sumporovodik se može dobijati iz pirita (FeS₂) i solne kiseline.

Ugljik-dioksid nastaje, između ostalog, zagrijavanjem kalcij-karbonata naprimjer pri žarenju kreča kod proizvodnje cementa. Kad se cement stvrdne, ponovno upija ugljik dioksid iz zraka. Dušik iz zraka i gas vodik mogu se spojiti pod visokim pritiskom i temperaturom od 500 °C dajući gas amonijak, a taj proces proizvodnje amonijaka se naziva Haber-Boschov proces. Amonijak se pomoću takozvanog Ostwaldovog procesa može spojiti sa kisikom u dušik monoksid koji dalje reagira sa jednim atomom kisik i prelazi u dušik dioksid. Njegovim rastvaranjem u vodi dobija se dušična kiselina. Pomoću Lindenovog procesa, iz zraka se ukapljivanjem mogu izdvojiti kisik, dušik i argon. Zabilježen je rastući trend industrijskog dobijanja čistih gasova kao i izučavanje procesa za odvajanje gasova pomoću izuzetno finih poroznih membrana (gasnih membrana). Također, vrlo važna oblast za izučavanje gasova u zraku je atmosferska hemija.

Ostali

Shematski prikaz kompleksa heksacijanidoaniona u solima kalij heksacijanidoferata

Neorganski kationi se mogu javljati u različitim oksidacijskim stanjima kao čvrste soli ili u rastvorima. To ima za posljedicu da oni također mogu imati brojne različite anione kao protivtežu. U rastvorima sa kationima se mogu spajati naelektrisane grupe (zvane ligandi, kao što su hloridi, tiocijanati i drugi) ili neke bez naboja (poput amonijaka ili vode preko slobodnih elektronskih parova) te graditi obojene komplekse. Tako se dobijaju kompleksi sa nekoliko liganada na kationu (najčešće četiri ili šest), u skladu sa oksidacijskim brojem.

Ioni prelaznih metala (titanija, vanadija, hroma, mangana, željeza, kobalta, nikla, bakra), koji posjeduju d-ljusku, grade sa ligandima komplekse raznih boja. Ion bakra(II) sa amonijakom gradi plavo obojeni bakar tetramin kompleks. U pruskom plavom, željezo(III) heksacijanoferatu, svaki ion željeza je okružen sa šest cijanidnih iona kao ligandima.

Teorija ligandnog polja opisuje prostornu koordinaciju i uticaj elektronske strukture iona i prirode liganda na sastav i strukturu kompleksa. Pomoću magnetohemije i boje rastvora, neorganski hemičari mogu proučavati koordinaciju takvih kompleksa. U permanganat anionu ion mangana(VII) sadrži četiri atoma kisika kao ligande. Živo obojeni kompleks kalij-permanganata u titraciji služi za količinsko određivanje sadržaja.

I organske kiseline poput EDTA (kvantitativno određivanje zemnoalkalnih iona), vinske ili limunske kiseline (sa bakrom(II) kao Fehlingov reagens ili Benedictov reagens za određivanje oksidiranih šećera) kao i dioksimi (diacetildioksim za određivanje nikla) mogu se često spajati na katione kao živo obojeni ligandi (tačnije helati).

Neorganske reakcije

U neorganskoj hemiji brojnost i raznolikost reakcija igra veliku ulogu. Među njima neke od najvažnijih su redoks reakcije i reakcije između baza i kiselina. Ove reakcije su uvijek ravnotežne reakcije, međutim ravnoteža kod ovakvih reakcija vrlo često se nalazi snažno pomaknuta na neku stranu te izražena je veoma visoka entalpija reakcije. Zbog toga su i mnoge reakcije u neorganskoj hemiji relativno brze i daju vrlo visoke prinose. Nasuprot njima, u organskoj hemiji mnoge reakcije su spore ali ravnotežne, te ne daju često visoke prinose.

Kod redoks reakcija elektroni se prenose sa jednog reagensa na drugi. Tipična redoks reakcija je reakcija dva ili više hemijska elementa koji daju neki spoj. Najpoznatije redoks reakcije su, između ostalih, eksplozivna reakcija vodika i kisika kojom nastaje voda i reakcija korozije pri kojoj neplemeniti metali (naprimjer željezo) reagiraju sa kisikom dajući okside.

Reakcije kiselina i baza su one kod kojih se prenose protoni. Pri tome kiseline daju bazama jedan ili više protona. Kao rezultat takvih reakcija nastaju uglavnom voda i soli. Među najpoznatijim takvim reakcija je reakcija hlorovodonične kiseline sa sodom čime nastaje natrij-hlorid i voda. Pošto se ove vrlo brzo odvijaju, mogu se vrlo precizno provjeriti i pratiti pomoću indikatora, i kao takve igraju vrlo važnu ulogu u analitičkoj hemiji.

U neorganskoj hemiji dobijanje nerastvorljivih soli ili gasovitih spojeva je važan pokretač za reakcije, jer tokom njih proizvodi reakcije napuštaju ravnotežni položaj te se reakcija u potpunosti kreće samo u jednom pravcu. Tako naprimjer dodavanje rastvora barij-hlorida u veću količinu natrij-sulfata daje reakciju taloženja teško rastvorljivog barij-sulfata, a ta reakcija je u tolikoj mjeri potpuna, da se nakon filtriranja barij sulfata u rastvoru preostalog natrij hlorida više ne može dokazati prisustvo barijevih iona:

$\mathrm {BaCl_{2}+Na_{2}SO_{4}\longrightarrow BaSO_{4}+2\ NaCl}$

Kao primjer jedne usmjerene ravnotežne reakcije na osnovu isparljivih gasova je pretvaranje amonij-hlorida sa natrijevom sodom u isparljivi amonijak:

$\mathrm {NH_{4}Cl+NaOH\longrightarrow NH_{3}+H_{2}O+NaCl}$

Takve reakcije u analitičkoj hemiji su također veoma važne.

Brojni neorganski spojevi se mogu raspadati na višim temperaturama, pri čemu se iz njih oslobađaju gasovi. Primjer takve reakcije je žarenje kreča, kada se iz kalcij-karbonata oslobađa ugljik-dioksid a preostaje kalcij-oksid.

Podoblasti neorganske hemije

• Hemija metala
• Hemija nemetala
• Hemija kompleksa, uključujući bioneorgansku hemiju
• Hemija čvrstog stanja
• Kristalografija
• Strukturna hemija
• Organometalna hemija
• Koloidna hemija
• Atmosferska hemija
• Hemija mineralnih kiselina

Tehnička primjena

Neorganska hemija je osnova brojnih i različitih tehničkih oblasti primjene, kao što su:

• Hemija poluprovodnika
• Mineralogija
• Metalurgija
  • Proizvodnja željeza i čelika
• Proizvodnja cementa, maltera i betona
• Proizvodnja keramike

Literatura

• Arnold F. Holleman, Egon Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. izd., de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1
• D. F. Shriver, P. W. Atkins]], C. H. Langford: Anorganische Chemie, 2. izd. Wiley-VCH, Weinheim 1997, ISBN 978-3-527-29250-9
• J. Huheey, E. Keiter, R. Keiter: Anorganische Chemie – Prinzipien von Struktur und Reaktivität, 3. izd. Walter de Gruyter, Berlin – New York 2003, ISBN 3-11-017903-2
• Lothar Kolditz (ur.): Anorganikum - Lehr- und Praktikumsbuch der anorganischen Chemie; mit einer Einführung in die physikalische Chemie. Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1967, 12. izdanje 1989; Johann Ambrosius Barth Verlag, Leipzig-Berlin-Heidelberg, 13. izdanje 1993. prevod na ruski: Mir Verlag, Moskva 1984, ISBN 978-3326000770 (njem.)
• Lehn, J. M. (1995). Supramolecular Chemistry: Concepts and Perspectives. Weinheim: VCH. ISBN 3-527-29311-6.
• Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2. izd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 0080379419.
• Elschenbroich, C.; Salzer, A. (1992). Organometallics: A Concise Introduction (2. izd.). Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 3527281649.
• Wells, A.F. (1984). Structural Inorganic Chemistry, 5. izd. Oxford: Clarendon Press. ISBN 0-19-855370-6