Неорганическая химия

Мета́ллы (от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов, обладающая характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск. Из 118[4] химических элементов, открытых на данный момент (из них не все официально признаны), к металлам относят:

• 6 элементов в группе щелочных металлов,
• 6 в группе щёлочноземельных металлов,
• 38 в группе переходных металлов,
• 11 в группе лёгких металлов,
• 7 в группе полуметаллов,
• 14 в группе лантаноиды + лантан,
• 14 в группе актиноиды (физические свойства изучены не у всех элементов) + актиний,
• вне определённых групп бериллий и магний.

Таким образом, к металлам относится 96 элементов из всех открытых.

В силу особенностей металлической атомной связи (а именно — ненасыщаемости и ненаправленности) металлы характеризуются максимально плотными координационными решётками. Наиболее типичны для них кубическая гранецентрированная, кубическая объёмно центрированная и гексагональная кристаллические решётки. Кроме того, из-за энергетической близости решёток у многих металлов проявляется полиморфизм.

Немета́ллы — химические элементы с типично неметаллическими свойствами, которые занимают правый верхний угол Периодической системы. В молекулярной форме в виде простых веществ в природе встречаются азот, кислород и сера. Чаще неметаллы находятся в химически связанном виде: это вода, минералы, горные породы, различные силикаты, фосфаты, бораты. По распространённости в земной коре неметаллы существенно различаются. Наиболее распространёнными являются кислород, кремний, водород; наиболее редкими — мышьяк, селен, иод. Характерной особенностью неметаллов является большее (по сравнению с металлами) число электронов на внешнем энергетическом уровне их атомов. Это определяет их бо́льшую способность к присоединению дополнительных электронов и проявлению более высокой окислительной активности, чем у металлов. К неметаллам также относят водород и гелий.

По количеству элементов, входящих в состав вещества, различаются бинарные, трёхэлементные соединения и т. п.

Бинарными называются соединения, состоящие из атомов двух элементов. Их классификация также производится на основании типа химической связи; выделяют соединения ионные, ковалентные, металлические, а также характеризующиеся смешанным типом связи. Их химические свойства варьируются в зависимости от химической природы конкретных элементов: соединения, в состав которых входят металлические элементы, характеризуются основными свойствами, в то время как соединения неметаллических элементов проявляют кислотные свойства.

Трёхэлементные — наиболее простые по составу соединения, которые образуются при взаимодействии, как правило, существенно отличающихся друг от друга по химической природе бинарных соединений. С точки зрения химической связи их подразделяют на ионные, ковалентные и ионно-ковалентные. В зависимости от устойчивости ионов их внешней сферы варьируется устойчивость анионных комплексов, которая, в свою очередь, влияет на свойства соединения и степень его подобия бинарному.

Если же взаимодействующие соединения мало отличаются друг от друга по химической природе, то в результате возникают особые разновидности веществ: смешанные соединения, твёрдые растворы и эвтектики. Первые из перечисленных — это полимеры, являющиеся продуктом взаимодействия соединений элементов, одинаково склонных к комплексообразованию (к примеру, оксид алюминия и оксид магния), вторые образуются в том случае, если электроположительные элементы могут образовывать схожие структурные единицы (то есть не имеющие принципиальных различий по части строения, размера и устойчивости), а третьи представляют собой результат взаимодействия соединений таких элементов, которые близки друг другу химически, но отличаются по строению или размеру атомов. В последнем случае химического взаимодействия, строго говоря, не происходит вообще — возникает механический конгломерат кристаллов.

Большую часть сложных неорганических веществ (то есть состоящих из двух и более химических элементов) можно разделить на следующие группы:

• Оксиды,
• Соли,
• Гидроксиды,
• Кислоты.

Окси́д (о́кисел, о́кись) — бинарное соединение химического элемента с кислородом в степени окисления −2, в котором сам кислород связан только с менее электроотрицательным элементом. Химический элемент кислород по электроотрицательности второй после фтора, поэтому к оксидам относятся почти все соединения химических элементов с кислородом. К исключениям относятся, например, дифторид кислорода OF₂. Оксиды — весьма распространённый тип соединений, содержащихся в земной коре и во Вселенной вообще. Примерами таких соединений являются ржавчина, вода, песок, углекислый газ, ряд красителей. Оксидами называется класс минералов, представляющих собой соединения металла с кислородом.

В зависимости от химических свойств различают:

• Солеобразующие оксиды:
  • основные оксиды (например, оксид натрия Na₂O, оксид меди(II) CuO): оксиды металлов, степень окисления которых I—II;
  • кислотные оксиды (например, оксид серы(VI) SO₃, оксид азота(IV) NO₂): оксиды металлов со степенью окисления V—VII и оксиды неметаллов;
  • амфотерные оксиды (например, оксид цинка ZnO, оксид алюминия Al₂О₃): оксиды металлов со степенью окисления III—IV и исключения (ZnO, BeO, SnO, PbO);
• Несолеобразующие оксиды: оксид углерода(II) СО, оксид азота(I) N₂O, оксид азота(II) NO, оксид кремния(II) SiO.

Со́ли — класс химических соединений, к которому относятся вещества, состоящие из катионов металла (или катионов аммония ${\displaystyle \mathrm {NH_{4}^{+}} }$; известны соли фосфония ${\displaystyle \mathrm {PH_{4}^{+}} }$ или гидроксония ${\displaystyle \mathrm {H_{3}O^{+}} }$) и анионов кислотного остатка. Типы солей:

• Средние (нормальные) соли — все атомы водорода в молекулах кислоты замещены на атомы металла. Пример: ${\displaystyle \mathrm {Na_{2}CO_{3}} }$, ${\displaystyle \mathrm {K_{3}PO_{4}} }$.
• Кислые соли — атомы водорода в кислоте замещены атомами металла частично. Они получаются при нейтрализации основания избытком кислоты. Пример: ${\displaystyle \mathrm {NaHCO_{3}} }$, ${\displaystyle \mathrm {K_{2}HPO_{4}} }$.
• Осно́вные соли — гидроксогруппы основания (OH⁻) частично замещены кислотными остатками. Пример: ${\displaystyle \mathrm {(CuOH)_{2}CO_{3}} }$.
• Двойные соли — в их составе присутствует два различных катиона, получаются кристаллизацией из смешанного раствора солей с разными катионами, но одинаковыми анионами. Пример: ${\displaystyle \mathrm {KAl(SO_{4})_{2}\cdot 12\ H_{2}O} }$.
• Смешанные соли — в их составе присутствует два различных аниона. Пример: ${\displaystyle \mathrm {Ca(OCl)Cl} }$.
• Гидратные соли (кристаллогидраты) — в их состав входят молекулы кристаллизационной воды. Пример: ${\displaystyle \mathrm {Na_{2}SO_{4}\cdot 10\ H_{2}O} }$.
• Комплексные соли — в их состав входит комплексный катион или комплексный анион. Пример: ${\displaystyle \mathrm {K_{3}[Fe(CN)_{6}]} }$, ${\displaystyle \mathrm {[Cu(NH_{3})_{4}](OH)_{2}} }$.

Особую группу составляют соли органических кислот, свойства которых значительно отличаются от свойств минеральных солей. Некоторые из них можно отнести к особенному классу органических солей, так называемых ионных жидкостей или по-другому «жидких солей», органических солей с температурой плавления ниже 100 °C.

Основа́ния — класс химических соединений:

• Основания (осно́вные гидрокси́ды) — сложные вещества, которые состоят из атомов металла или иона аммония и гидроксогруппы (-OH). В водном растворе диссоциируют с образованием катионов и анионов ОН⁻. Название основания обычно состоит из двух слов: «гидроксид металла/аммония». Хорошо растворимые в воде основания называются щелочами.
• Согласно другому определению, основания — один из основных классов химических соединений, вещества, молекулы которых являются акцепторами протонов.

Кисло́ты — сложные вещества, в состав которых обычно входят атомы водорода, способные замещаться на атомы металлов, и кислотный остаток. Водные растворы кислот имеют кислый вкус, обладают раздражающим действием, способны менять окраску индикаторов, отличаются рядом общих химических свойств.

Кроме подразделения на кислоты Льюиса и кислоты Брёнстеда, последние принято классифицировать по различным формальным признакам:

• По содержанию атомов кислорода[5]: бескислородные (HCl, H₂S, HCN); кислородсодержащие (HNO₃, H₂SO₄).
• По количеству кислых атомов водорода[5]: одноосновные (HNO₃); двухосновные (H₂SeO₄); трёхосновные (H₃PO₄, H₃BO₃); многоосновные.
• По силе: сильные — диссоциируют практически полностью, константы диссоциации больше 1⋅10⁻³ (HNO₃); слабые — константа диссоциации меньше 1⋅10⁻³ (уксусная кислота K_д= 1,7⋅10⁻⁵).
• По устойчивости: устойчивые (H₂SO₄); неустойчивые (H₂CO₃).
• По принадлежности к классам химических соединений: неорганические (HBr); органические (HCOOH, CH₃COOH);
• По летучести: летучие (HNO₃, H₂S); нелетучие (H₂SO₄) ;
• По растворимости в воде: растворимые (H₂SO₄); нерастворимые (H₂SiO₃);
• По содержанию атомов металлов: металлосодержащие (HMnO₄, H₂TiO₃); не металлосодержащие (HNO₃, HCN).

Также можно выделить следующие группы неорганических веществ: карбиды, нитриды, гидриды, интерметаллиды и другие, которые не укладываются в приведённую выше классификацию (более подробно см. Неорганическое вещество).

Карби́ды — соединения металлов и неметаллов с углеродом. Традиционно к карбидам относят соединения, в которых углерод имеет большую электроотрицательность, чем второй элемент (таким образом из карбидов исключаются такие соединения углерода, как оксиды, галогениды и тому подобные). Карбиды — тугоплавкие твёрдые вещества: карбиды бора и кремния (В₄С и SiC), титана, вольфрама, циркония (TiC, WC и ZrC соответственно) обладают высокой твёрдостью, жаростойкостью, химической инертностью.

Карбиды подразделяются на следующие виды: солеобразные (CaC₂, Al₄C₃); ковалентные (карборунд SiC); металлоподобные (имеющие нестехиометрический состав, например, цементит (Fe₃C)).

Нитри́ды — соединения азота с менее электроотрицательными элементами, например, с металлами (AlN;TiN_x;Na₃N;Ca₃N₂;Zn₃N₂; и т. д.) и с рядом неметаллов (NH₃, BN, Si₃N₄). Соединения азота с металлами чаще всего являются тугоплавкими и устойчивыми при высоких температурах веществами, например, эльбор. Нитридные покрытия придают изделиям твёрдость, коррозионную стойкость; находят применение в энергетике, космической технике.

Гидри́ды — соединения водорода с металлами и с имеющими меньшую электроотрицательность, чем водород, неметаллами. Иногда к гидридам причисляют соединения всех элементов с водородом. Наиболее распространёнными являются бинарные гидриды. Они делятся на три типа в зависимости от характера связи в соединении: ионные (водород и щелочной или щёлочноземельный металл), металлические (гидриды переходных металлов или редкоземельных элементов) и ковалентные (молекулярные) (гидриды неметаллов или Al, Be, Sn, Sb, As, Te, Ge)[6].

Металлические соединения, или интерметаллиды — один из четырёх базовых вариантов взаимодействия между металлами (остальные три — полное отсутствие какого-либо влияния, взаимное растворение в жидком состоянии и образование эвтектики в твёрдом, а также формирование как жидких, так и твёрдых растворов любого состава). В отличие от, например, твёрдых растворов интерметаллиды характеризуются сложной кристаллической структурой, непохожей на структуру исходных веществ; аналогичным образом у них могут появляться физические или химические особенности, не свойственные их составляющим в чистом виде. В целом для интерметаллидов характерно широкое разнообразие кристаллических структур и типов химической связи, что, в свою очередь, является причиной обширного спектра их возможных физических и химических свойств.

Интерметаллиды, как и другие химические соединения, имеют фиксированное соотношение между компонентами. Интерметаллиды обладают, как правило, высокой твёрдостью и высокой химической стойкостью. Очень часто интерметаллиды имеют более высокую температуру плавления, чем исходные металлы. Почти все интерметаллиды хрупки, так как связь между атомами в решётке становится ковалентной или ионной (например, в ауриде цезия CsAu), а не металлической. Некоторые из них имеют полупроводниковые свойства, причём, чем ближе к стехиометрии соотношение элементов, тем выше электрическое сопротивление. Никелид титана, известный под маркой «нитинол», обладает памятью формы — после закалки изделие может быть деформировано механически, но примет исходную форму при небольшом нагреве.

Вплоть до начала XX века аксиоматическим считалось положение о постоянстве состава тех или иных веществ, впервые высказанное и сформулированное веком ранее. Рассматриваемое утверждение было аналогичным образом поименовано как закон постоянства состава, а соответствующее свойство веществ — как стехиометричность. Впоследствии проведённые учёным Н. С. Курнаковым исследования показали, что существуют также и соединения переменного состава, то есть нестехиометрические, и при этом они характеризуются довольно высокой степенью распространённости в природе. Н. С. Курнаков предложил также именовать соединения постоянного состава дальтонидами, а переменного — бертоллидами.

В той или иной степени переменный состав характерен для тех веществ, у которых наблюдается либо атомное, либо ионное строение. В таком случае в кристалле могут возникать различного рода дефекты — либо недостаток атомов в определённых узлах, либо их избыток в промежутках между узлами. К примеру, явная нестехиометричность характерна для оксида и сульфата железа (II). Существуют определённые пределы, внутри которых отклонения от стехиометрического состава считаются допустимыми; соответствующий диапазон называется областью гомогенности. В свою очередь, вещества с молекулярным строением имеют постоянный состав; следует, впрочем, заметить, что вплоть до 95 % неорганических веществ такого строения не имеют и в силу этого являются нестехиометрическими. Длительное преобладание представлений о постоянстве состава объясняется тем, что часто изменения оказываются недостаточно существенными для их обнаружения в ходе химического анализа.