Неограническая химия

Содержание.

Введение………………………………………………………………..3

I.1. Неорганическая химия — основа новых материалов……………….5

I.2. История развития неорганической химии……………………...………7

I.3. Практическое применение неорганической химии……………………14

Заключение…………………………………………………………….17

     Список  использованной литературы …………………………..…….18 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение.

     Что такое химия? Химия является высокоупорядоченной - постоянно развивающейся системой знаний о веществах, имеющей определенное социальное назначение и свое место  в ряду других наук.

Под системой химии подразумевается объединение  всех химических знаний в концептуальные системы, которые находятся между  собой в отношениях иерархии, т.к. каждая концептуальная система - это определенный уровень знаний.

     Особое  место в этом уровне знаний занимает неорганическая химия. Большая часть знаний, на которых базируется неорганическая химия, получена довольно давно, но во второй половине прошлого века она вдруг оказалась в тени фантастических достижений органической химии и химии живых систем. Практически у всех создалось ощущение, что неорганическая химия — в глубоком застое. Этому в немалой степени способствовали и университетские профессора, излагавшие предмет почти в неизменном виде на протяжении десятилетий. Между тем ситуация в последние годы существенно переменилась. Интенсивное развитие электроники, фотоники, сенсорики и спинтроники потребовало новых материалов со специальными свойствами, что привело к ренессансу неорганической химии.

Неорганическая  химия гораздо сложнее органической химии. Последняя — это фактически химия одного элемента, а у неорганики их в арсенале почти сто. Именно это даёт простор для создания самых разных материалов с разными свойствами.

     В Периодической системе элементов  уже почти исчезли „застойные“  зоны, практически все элементы активно  применяются в новых материалах. Пример тому — использование самых молодых(по времени открытия) химических элементов, таких, как рений, технеций и франций, не говоря уже о плутонии, америции и других актинидах.

Переход от химических элементов к материалам исключительно сложен, здесь не помогают даже методы комбинаторной химии, поскольку возможно множество сочетаний различных химических элементов. Например, только для элементов, имеющих стабильные изотопы, таких сочетанийбольше 7×10²³. Это число увеличится на много порядков, если учесть, что большинство современных материалов создают, используя метастабильные состояния веществ. Дело в том, что 99,9% неорганических материалов находятся в неравновесном состоянии, то есть с ними что-топроисходит во времени (например, металл окисляется). Этот процесс превращения может быть очень медленным, поэтому кажется, что материал стабилен и неизменен. Чем отличается стабильное состояние от метастабильного? Если зафиксировать все параметры, которые характеризуют состояние системы, то только одно-единственное будет термодинамически стабильным, а множество других — метастабильными. Таких метастабильных состояний бесконечно много даже для одного вещества, имеющего фиксированный состав, а свойства у этих состояний разные.

     В этой ситуации метод случайного перебора композиций не может быть эффективным — надо с умом использовать закономерности неорганической химии. К сожалению, несмотря на славные традиции её развития в России, в последние 10–20 лет фронт отечественных исследований значительно сузился из-за крайне ограниченных экспериментальных возможностей многих научных групп(нет современных электронных микроскопов, синхротронных источников излучения,сквид-магнетометров, ЯМР-спектрометров высокого разрешения и т. д.).. Это тем более печально, что в прошлом российские учёные внесли существенный вклад в развитие неорганической химии, — достаточно вспомнить Д.И. Менделеева, И.С. Курнакова, Л.А. Чугаева, И.И. Черняева, а также А.В. Новосёлову, И.В. Тананаева, В.И. Спицина. 
 
 

I.1. Неорганическая химия — основа новых материалов

     Неорганическая  химия, наука о химических элементах и образуемых ими простых и сложных веществах, за исключением органических соединений.

Понятие "неорганическая химия" (минеральная химия) появилось первоначально для обозначения веществ минерального происхождения.

Основные  задачи современной Неорганической химии: изучение строения, свойств и  химических реакций простых веществ  и соединений, взаимосвязи строения со свойствами и реакционной способностью веществ, разработка методов синтеза  и глубокой очистки веществ, общих  методов получения неорганических материалов.

Важнейшие разделы неорганической химии - теоретическая, синтетическая и прикладная неорганическая химия. По изучаемым объектам ее подразделяют на химию отдельных элементов, химию групп элементов в составе периодической системы (химия щелочных металлов, щелочноземельных элементов, галогенов, халькогенов и др.), химию определенных соединений тех или иных элементов (химия силикатов. пероксидных соединений и др.), химию элементов, объединенных в группы по исторически сложившимся признакам (например, химия редких элементов), химию близких по свойствам и применению веществ (химия тугоплавких веществ, интерметаллидов, полупроводников, энергонасыщенных соединений, благородных металлов, неорганических полимеров и др.). Самостоятельный раздел неорганической химии - координационная химия, или химия координационных соединений. Нередко обособляют химию переходных элементов.

Границы между неорганической химией и другими химическими науками часто условны или неопределенны. Одни и те же вещества или реакции могут быть объектами исследования различных химических дисциплин.

     Как и многие другие химические науки, неорганическая химия неразрывно связана с физической химией, которая может считаться теоретической и методологической основой современной химии, с аналитической химией - одним из главных инструментов химии.

Неорганическая  химия отчасти пересекается с органической химией, особенно с химией металлоорганических соединений, бионеорганической химией и др.

Теоретические представления неорганической химии используют в геохимии, космохимии, химии твердого тела, химии высоких энергий, радиохимии, ядерной химии, в некоторых разделах биохимии и агрохимии.

Прикладная  часть неорганической химии связана с химической технологией, металлургией, галургией, электроникой, с добычей полезных ископаемых, производством керамики, строительных, конструкционных, а также оптических и других неорганических материалов, с обеспечением работы энергетических установок (например, АЭС), с сельским хозяйством, с обезвреживанием промышленных отходов, охраной природы и др. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

I.2. История развития неорганической химии.

     История неорганической химии тесно связана с общей историей химии, а вместе с ней - с историей естествознания и историей человеческой цивилизации. Составные разделы истории неорганической химии - история открытия химических элементов, история формирования основных понятий о веществе, история открытия и развития законов химии, в частности периодического закона Менделеева.

     Все основные периоды развития общей химии (древнейший, алхимии, ятрохимии, возникновения технической химии, классичесской химии, современный) - это и периоды развития неорганической химии в ее современном 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 алхимический период (до нач. 16 в.) были охарактеризованы многие минералы, открыты мышьяк, сурьма, висмут, цинк, изучены некоторые сплавы (в частности, отдельные амальгамы), соли, нескольких кислот и щелочей. Возник пробирный анализ. В Европе с сер. 13 в. стала применяться, а в 15 в. и производиться селитра.

     В начале 16 в. возникло направление в алхимии и медицине - ятрохимия (от греч. iatros-врач и химия; химиатрия, иатрохимия), отводившее основную роль в возникновении болезней нарушениям химических процессов в организме человека и ставившее задачу отыскания и приготовления химических средств их лечения. Основатель ятрохимии - Парацельс - ввел в медицинскую практику препараты ртути, серебра, золота и других металлов. Ятрохимия утратила свое значение в нач. 18 в.

     В период возникновения технической  химии (17 в. - 1-я половина 18 в.) установлено  существование фосфора, кобальта, платины и никеля. Были созданы производства азотной, соляной и серной кислот, различных солей (поваренная соль, квасцы, бура, нашатырь, сульфат цинка), минеральных красителей, керамики.

     Начало 18 в. связано с распространением теории флогистона - некоего вещества, якобы выделяемого при горении. Эта ошибочная теория оказала положительное влияние на развитие химии, впервые позволив рассматривать различные химические процессы с одной общей точки зрения.

     Во 2-й половине 18 в. химико-аналитическими методами были открыты барий, марганец, молибден и другие 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 химического элемента (вещество, которое не может быть разложено химическими способами), предложил впервые перечень известных тогда химических элементов. Принципы химической номенклатуры этого периода в основном сохранились до нашего времени.

На основе работ Л.Гальвани и А.Вольта был открыт электрохимический ряд напряжений металлов.

     В начале 19 в. зародилась классическая химия. В 1-й половине 19 в. были найдены основные количественные законы химии. Ж.Пруст открыл закон постоянства состава вещества (который стал общепринятым после длительного спора с К.Бертолле). Дж.Дальтон в 1802 суммировал идеи других ученых на качественно ином уровне и сформулировал близкую к современной концепцию атомистической природы веществ, а на ее основе - кратных отношений закон, ввел понятие атомной массы.

     Этапными  для развития неорганической химии явились работы И.Берцелиуса, который в 1814 опубликовал таблицу атомных масс. А.Авогадро и Ж.Гей-Люссак открыли газовые законы, П.Дюлонг и А.Пти нашли правило, связывающеетеплоемкость с числом атомов в соединении, Г.И.Гесс - закон постоянства количества теплоты (см. Гесса закон). Возникла атомно-молекулярная 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 основные законы электрохимии (см. Фарадея законы).

     2-я  половина - конец 19 в. ознаменовались  обособлением физической химии.  К.Гульдберг и П.Вааге сформулировалидействующих 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 химические элементы (бор, литий, кадмий, селен, кремний, бром, алюминий, иод, торий, ванадий, лантан, эрбий, тербий,диспрозий, рутений, ниобий), с помощью введенного в практику спектрального анализа было доказано существование цезия, рубидия, таллия и индия. Было проведено определение и уточнение атомных масс многих химических элементов.

     К конце 1860-х гг. стало известно 63 химических элемента и большое число разнообразных химических соединений, однако научная классификация элементов отсутствовала. Основой для систематики явился периодический закон Менделеева, с помощью которого были исправлены атомные массы многих элементов и предсказаны свойства неизвестных в то время веществ. Последовавшие открытия галлия (П.Э.Лекок де Буабодран, 1875), скандия(Л.Нильсон, 1879), германия (К.А.Винклер, 1886), лантаноидов, благородных газов (У.Рамзай, 1894-98), первых радиоактивных элементов - полония и радия (М.Склодовская-Кюри, П.Кюри, 1898) блестяще подтвердили периодический 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 периодического закона, некоторое время оспаривавшийся Л.Мейером, был закреплен в названии одного из искусственных элементов (менделевия).

     Теория  строения атома (Э. Резерфорд, 1911; Н. Бор, 1913), введение понятия атомного номера (Г. Мозли, 1914) позволили дать периодическому закону физ. обоснование.

     В 1893 А. Вернер высказал идею пространств. строения комплексных соединений  металлов, создал основы классификации координац. соединений.

     Позднее в неорганической химии стали использоваться такие понятия, как введенная Л. Полингом электроотрииательность, ионные и  ковалентные радиусы , степень окисления, к-ты и основания по Брёнстеду и по. В 1927 И. И. Черняев открыл явление трансвлияния в  комплексных соединениях. Достижения русской и современной школы химии комплексных соединений (Н. С. Курнаков, Л. А. Чугаев, И. И. Черняев, О. Е. Звягинцев, А. А. Гринберг) были положены в основу методов аффинажа благородных металлов. Современный период неорганической химии отличается расширением ее теоретической базы, резким увеличением количества изучаемых объектов, применением физические, особенно спектроскопических, методов исследования и анализа, увеличением числа используемых сложных методов синтеза.

     Химия большинства элементов в 20 в. интенсивно развивалась, однако некоторые области неорганической химии прогрессировали особенно быстро. Появились и новые быстро растущие направления. Химия редких металлов начала выделяться в самостоятельный раздел неорганической химии в 30-х гг. благодаря зарождению производства редких металлов и росту их потребления, комплексному характеру мн. видов природного сырья и общности технологических операций переработки сырья. Появление атомной энергетики, авиационно-космической промышленности и электроники повысили роль этой области неорганической химии.

     Химия галогенов, особенно фтора, получила мощный импульс развития во 2-й половине 20 в. в связи с развитием металлургии, атомной и ракетной техники, производств органических веществ, полупроводниковых и др. материалов. Заметному увеличению числа исследований неорганических фторидов способствовало открытие в 1962 фторидовблагородных газов. В 70-80-х гг. расширилось применение атомарных и ионизированных галогенов, каталитических реакций галогенирования. Многообразие соединения галогенов и широкий диапазон их свойств сделали эти соединения удобными объектами для изучения основных задач неорганической химии.

     Начало 2-й половины 20 в. связано с возникновением химии полупроводников, а несколько  более позднее время - с развитием планарной технологии интегральных схем. Перед неорганической химией возникли задачи получения особо чистых веществ, что потребовало резкого улучшения методов очистки и анализа. Инструментальные методы анализа в этой области неорганической химии полностью вытеснили традиционные.

     В связи с развитием ракетно-космической  техники, а, также химических источников тока во 2-й пол. 20 в. самостоятельное значение стала приобретать химия энергонасыщенных соединений - сильнейших окислителей и восстановителей. Позже все большее внимание стало уделяться твердым источникам (аккумуляторам) различных газов - кислорода , водорода , фтора и других - для топливных элементов, газовых лазеров, систем жизнеобеспечения космических станций и кораблей.

Химия РЗЭ близка к химии некоторых редких металлов и химии актиноидов, что связано с определенными аналогиями в электронном строении и хим. свойствах всех этих элементов и определяет их совместное присутствие в некоторых природных 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 неорганической химии возрастает в связи с открытием высокотемпературных оксидных сверхпроводников.

     Химия благородных газов зародилась в 1962, когда Н. Бартлетт получил первое химическое соединение ксенона-XePtF₆. Ныне известны криптона дифторид, ксенона фториды, а также фториды радона, оксиды и хлоридыксенона, ксенаты и перксенаты, многочисл. комплексные соединения содержащие ксенон и криптон. Множество соединений благородных газов могут быть получены только в условиях физического активирования реагентов; являются термодинамически неустойчивыми в-вами и сильнейшими окислителями, поэтому развитие этого раздела неорганической химии потребовало разработки специфич. методов синтеза и исследований. Открытие соединения 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 химия гидридов, особенно гидридов металлов и интерметаллических соединений, в связи с перспективой их использования как источников топлива для автономных энергосистем.

     Химия твердого  тела, переживающая с 60-70-х  гг. период бурного развития, способствовала ускорению разработки мн. ключевых для неорганической химии вопросов. Среди этих вопросов - природа нестехиометрич. и аморфных веществ, влияние не-значит. изменений состава кристаллов на их свойства и др. В неорганической химии большое внимание уделяется неорганическими материалам - сформировались такие области неорганической химии, 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 неорганической химии и химии твердого тела - химии высокотемпературных сверхпроводников. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

I.3. Практическое применение неорганической химии.

     Еще в 18 в. установилась тесная связь между  неорганической химией и ремеслами - основой зарождавшейся промышленности. Позднее неорганическая химия стала научной базой множества производств, определяющих уровень промышленного развития отдельных стран и всего человечества.

     Прикладной  частью неорганической химии традиционно считается технология неорганических веществ. Она связана с крупномасштабными производствами серной, соляной, фосфорной, азотной кислот, соды, аммиака, хлора, фтора, фосфора,  а также солей натрия, калия, магния, диоксида углерода, водорода, различных минеральных удобрений и многих других веществ. Большая часть этих продуктов потребляется другими химическими производствами, металлургией и при получении конструкционных материалов.