Неоргани́ческая хи́мия, наука о химических элементах и образуемых ими веществах (за исключением органических), важнейшая область химии. Основные задачи современной неорганической химии: изучение строения, свойств и химических превращений веществ, взаимосвязи их строения (для твёрдых веществ, кроме того, размера частиц) со свойствами и реакционной способностью, разработка методов синтеза и очистки веществ, общих методов получения неорганических материалов.

Структура науки

Важнейшие разделы неорганической химии: теоретическая, синтетическая и прикладная неорганическая химия. По изучаемым объектам неорганическую химию подразделяют на химию отдельных химических элементов (химия урана, фтора и др.), химию групп химических элементов, входящих в периодическую систему (химия актиноидов, благородных газов, галогенов, лантаноидов, халькогенов, щелочных металлов, щёлочноземельных металлов и др.), химию исторически сложившихся групп химических элементов (химия редких элементов), химию групп химических элементов с родственным электронным строением (химия переходных элементов), химию групп химических элементов и соединений с близкими составом, строением, свойствами или областями применения (химия благородных металлов, гидридов металлов, интерметаллидов, кластеров, полупроводников и др.), химию соединений с определённым типом химической связи (химия комплексных соединений, неорганических полимеров) и др. В середине 19 в. обособилась химия графита, в конце 20 в. – химия фуллеренов и углеродных нанотрубок, с середины 1-го десятилетия 21 в. происходит становление химии графена.

Углеродные наноструктуры.Углеродные наноструктуры.Границы между неорганической химией и другими химическими науками во многом условны, а в случае химии металлоорганических и элементоорганических соединений не определены. Неорганическая химия тесно связана с физической химией, аналитической химией, электрохимией, радиохимией, химией твёрдого тела, кристаллохимией, кристаллографией, химией высоких энергий, плазмохимией, бионеорганической химией, квантовой химией, химической физикой, стереохимией, структурной химией, химической термодинамикой, химической кинетикой, термохимией, термометрией и др.

Неорганическая химия в значительной степени влияет на развитие дисциплин, связанных с изучением природных веществ и процессов (геохимия, минералогия, астрохимия), а также отраслей производства (химическая технология, металлургия, галургия, агрохимия) и материаловедения. В неорганической химии применяются методы и законы физики и математики.

История развития

История неорганической химии тесно связана с общей историей химии, вместе с ней – с историей естествознания и историей человеческой цивилизации. До середины 19 в. общая химия и неорганическая химия были единой дисциплиной, история которой включала древнейший период (от начала цивилизации до 4 в. н. э.), период алхимии (4–16 вв.), период ятрохимии (начало 16 – конец 17 вв.). Выделяют также периоды технической химии, пневматической химии, историю открытия химических элементов, историю формирования основных понятий о веществе, историю открытия основных законов химии.

За 3–5 тыс. лет до н. э. люди овладели искусством выплавки меди, железа, бронзы, изготовления стекла. В древнейшем периоде стали известны углерод, сера, железо, олово, свинец, медь, ртуть, серебро и золото. В алхимический период были описаны мышьяк, сурьма, висмут, цинк, некоторые амальгамы, многие минералы, некоторые соли, минеральные кислоты и щёлочи, освоены простейшие приёмы выделения и очистки веществ – выпаривание, перегонка, кристаллизация, фильтрация. В конце этого периода стала производиться калиевая селитра. Практическая деятельность – ремесленников (занимавшихся гончарным производством, стеклоделием, приготовлением красок и т. д.), металлургов, врачей, фармацевтов и др. – Квентин Массейс. Предполагаемый портрет врача Парацельса. 16 в. Лувр, Париж. Квентин Массейс. Предполагаемый портрет врача Парацельса. 16 в. Лувр, Париж. привела к возникновению нескольких направлений неорганической химии. Ятрохимия ставила одной из основных задач отыскание и создание химических средств борьбы с болезнями людей. Основатель ятрохимии Парацельс ввёл в медицинскую практику препараты ртути, серебра, золота, сурьмы, цинка и других металлов. В период технической химии (16 – середина 18 вв.) были описаны кобальт, платина и никель, созданы производства азотной, соляной и серной кислот, некоторых солей, видов керамики и др. В 1556 г. опубликована книга Г. Агриколы о выплавке металлов из руд.

Достижениями пневматической химии (1-я половина 17 – конец 18 вв.) стали открытие и изучение многих газообразных простых веществ и соединений: азота, водорода, кислорода, хлора, диоксида углерода, оксидов азота и серы, других газов. В 1661 г. Р. Бойль в своём основном труде «Химик-скептик» определил химические элементы как вещества, которые не могут быть разложены на другие. Портрет достопочтенного Роберта Бойля.Портрет достопочтенного Роберта Бойля.В 1697–1703 гг. Г. Э. Шталь сформулировал теорию флогистона – особого вещества, выделяемого при горении; эта первая теория в химии впоследствии была признана ошибочной, однако способствовала развитию представлений об общности химических процессов. В конце 17 в. наметилось обособление сведений о неорганических веществах в отдельную отрасль химии. Начало этого периода обычно связывают с именем Н. Лемери, который в своём главном труде «Курс химии» (1675) разделил изучаемые химией вещества по их происхождению на минеральные, растительные и животные. Отсюда произошло название «минеральная химия», которое использовалось как синоним неорганической химии до середины 19 в.

В 1748 г. М. В. Ломоносов и в 1789 г. А. Л. де Лавуазье независимо друг от друга сформулировали закон сохранения массы при химических реакциях. В 1770-х гг. Лавуазье опроверг гипотезу флогистона и показал, что горение протекает с участием кислорода. Окончательно утвердилось предложенное Бойлем научное определение химического элемента как предела разложения вещества. Портрет Михаила Ломоносова. Середина 19 в. Копия с несохранившегося оригинала Георга Каспара Иосифа фон Преннера 1755 г.Портрет Михаила Ломоносова. Середина 19 в. Копия с несохранившегося оригинала Георга Каспара Иосифа фон Преннера 1755 г.В 1780-х гг. Лавуазье опубликовал перечень химических элементов и разработал (совместно с другими французскими учёными) рациональную химическую номенклатуру, принципы которой в основном сохранились в современной химической номенклатуре. С этого времени всё большее значение приобретают количественные исследования; в частности, разрабатываются точные методики химического анализа, которые используются для установления состава природных и искусственно полученных веществ. В результате анализа минералов в конце 18 – начале 19 вв. открыто много новых химических элементов.

Следующий этап в развитии неорганической химии (почти весь 19 в.) характеризуется введением в химию атомной гипотезы и её утверждением (Й. Я. Берцелиус, С. Канниццаро и др.) и завершается возникновением атомно-молекулярной теории. В начале 19 в., при зарождении классической химии, были сформулированы её основные количественные законы, ставшие экспериментальной основой атомно-Станислао Канниццаро. Фото: Walker & Boutall.Станислао Канниццаро. Фото: Walker & Boutall.молекулярной гипотезы: эквивалентов (И. Рихтер), постоянства состава (Ж. Л. Пруст), кратных отношений (Дж. Дальтон), постоянства количества теплоты (Г. И. Гесс), газовые законы (А. Авогадро, Ж. Л. Гей-Люссак), изоморфизма (Э. Митчерлих), а также правило, связывающее теплоёмкость вещества с числом атомов в его молекуле (П. Л. Дюлонг, А.-Т. Пти). Берцелиус создал таблицу атомных масс, заложил основы современной химической символики. В 1860 г. на первом Международном конгрессе химиков в г. Карлсруэ были приняты определения понятий атома, молекулы, химического эквивалента, валентности.

Во 2-й половине 19 в. сформулирован закон действующих масс (К. М. Гульдберг, П. Вааге), заложены основы теории растворов и создана теория электролитической диссоциации (С. А. Аррениус, Я. Х. Вант-Гофф, В. Оствальд), возникло учение о валентности (Э. Франкленд, Ф. А. Кекуле, Г. Кольбе).

В 19 в. в истории открытия химических элементов важное значение приобретают физические методы: в 1807–1808 гг. при помощи электролиза получены калий, натрий, магний, кальций; спектральный анализ способствовал открытию в 1860–1870-х гг. рубидия, цезия, индия, таллия, гелия, нескольких редкоземельных элементов.

Фрагмент рукописи «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве» Дмитрия Менделеева. 1869.Фрагмент рукописи «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве» Дмитрия Менделеева. 1869.К концу 1860-х гг. были известны 63 химических элемента. Основой их научной классификации стал периодический закон, открытый Д. И. Менделеевым в 1869 г. На основе этого закона были исправлены атомные массы ряда химических элементов и предсказаны значения атомных масс для нескольких неизвестных в то время элементов. Периодический закон получил в начале 20 в. физическое обоснование при создании теории строения атома (Э. Резерфорд, Н. Бор) и введении понятия атомного номера химического элемента (Г. Мозли).

В концу 19 в. исследование радиоактивности привело к возникновению радиохимии. В 1898 г. два химических элемента (полоний, радий) впервые были открыты по их радиоактивным свойствам. Изучение радиоактивных элементов повлекло за собой обнаружение существования изотопов, позволило заполнить пробелы в периодической системе и синтезировать технеций, прометий, астат, франций, а также трансурановые химические элементы.

В конце 19 – начале 20 вв. основное внимание в неорганической химии уделяется изучению состава и строения химических соединений. Николай Курнаков. 1930-е гг.Николай Курнаков. 1930-е гг.В 1893 г. А. Вернер создаёт общую теорию строения и свойств комплексных соединений, развитую в работах зарубежных (Н. В. Сиджвик и др.) и российских (Н. С. Курнаков, Л. А. Чугаев, И. И. Черняев, О. Е. Звягинцев, А. А. Гринберг, Ю. А. Буслаев и др.) химиков. А. Л. Ле Шателье, Ф. Осмонд, У. Ч. Робертс-Остен, Г. Тамман, Н. С. Курнаков, А. А. Байков исследуют микроструктуру металлов и сплавов. Для изучения зависимости свойств многокомпонентных систем от параметров состояния широко используется физико-химический анализ. Во 2-м десятилетии 20 в. В. Коссель, Г. Н. Льюис и другие учёные создают электронную теорию валентности. Вводятся понятия об ионных и ковалентных химических связях, электроотрицательности, появляются новые теории кислот и оснований, рассматриваются вопросы природы химической связи, её энергии, длины, полярности и измеряются длины связей и валентные углы для многих неорганических молекул, определяются кристаллические структуры неорганических веществ. С 1920-х гг. для анализа строения неорганических веществ (координационных соединений, кристаллов и пр.) используются методы квантовой химии, в том числе теория кристаллического поля и теория поля лигандов (см. Метод молекулярных орбиталей).

Во 2-й половине 19 – начале 20 вв. на смену отдельным производствам химических веществ, возникшим для удовлетворения нужд текстильной, металлообрабатывающей и других отраслей промышленности, пришли экономичные и совершенные технологические процессы: получение соды по способу Сольве, контактный метод производства серной кислоты, электрохимическое получение хлора и щелочей, производство минеральных удобрений, синтез аммиака и другие процессы. В связи с развитием машиностроения, электрохимической и химической промышленности организуются производства лёгких, редких и благородных металлов. Основой методов аффинажа благородных металлов явились исследования О. Е. Звягинцева.

В 20 в. некоторые разделы неорганической химии развивались особенно быстро. В 1930-х гг. благодаря возникновению новых производств обособилась химия редких металлов. В их технологии стали применять методы гидрометаллургии, включающие выщелачивание, ионообменную сорбцию и жидкостную экстракцию. Интенсивное развитие гидрометаллургии с 1940-х гг. связано с работами по созданию ядерного оружия, с появлением ядерной энергетики и созданием радиохимических производств. Были разработаны методы получения металлического урана (в России первым это сделал Н. П. Сажин) и металлического плутония (А. А. Бочвар). Из неорганической химии выделились химия актиноидов и химия искусственных трансурановых элементов. Появились новые методы выделения, очистки и анализа малых количеств веществ, методы дистанционного управления химическими процессами.

Первые трансурановые элементы – нептуний и плутоний – синтезированы в 1940 г. в США (Э. Макмиллан, Г. Сиборг и др.; плутоний идентифицирован как элемент в 1941); там же получены элементы с атомными номерами 95–101, 103. Юрий Оганесян в Объединённом институте ядерных исследований в Дубне. 2012.Юрий Оганесян в Объединённом институте ядерных исследований в Дубне. 2012.В России синтезированы (Г. Н. Флёров, Ю. Ц. Оганесян и др.) элементы с атомными номерами 102, 104–106, 114 (флеровий) и 116 (ливерморий); в ФРГ – борий, хассий, мейтнерий, дармштадтий, рентгений, коперниций. В 2015 г. ИЮПАК признал открытие и утвердил названия элементов под номерами 113, 115, 117 и 118. Приоритет в открытии элементов 115, 117 и 118 признан за российско-американской коллаборацией, включающей Лабораторию ядерных реакций имени Г. Н. Флёрова Объединённого института ядерных исследований (ФЛЯР ОИЯИ), Ливерморскую национальную лабораторию имени Э. Лоуренса, Ок-Риджскую национальную лабораторию и Университет Вандербильта. Приоритет в открытии элемента 113 признан за группой из японского ускорительного научного центра Института физико-химических исследований (RIKEN), несмотря на более раннюю публикацию работы ФЛЯР ОИЯИ. Элемент 115 назван московием, а 118 – оганесоном в знак признательности профессору Ю. Ц. Оганесяну за его новаторский вклад в исследование трансактиноидных элементов, открытие сверхтяжёлых элементов и значительные достижения в ядерной физике сверхтяжёлых ядер, включая экспериментальные доказательства существования острова стабильности.

Развитие ядерной энергетики и металлургии, а затем элементоорганической химии придало также импульс развитию химии фтора. Это привело к синтезу в 1962 г. химического соединения ксенона Xe[PtF₆] (Н. Бартлетт) и возникновению химии благородных газов.

В 1950-х гг. возникла химия полупроводников, тесно связанная с химией и физикой твёрдого тела. Была создана и начала широко использоваться планарная технология интегральных схем, включающая ряд типовых химических, физических и комбинированных процессов. Перед неорганической химией встали задачи получения особо чистых веществ и материалов. Созданы производства монокристаллов особо чистых кремния и германия, а также многих веществ, применяемых для получения электронных приборов (подложки, проводники, диэлектрики). Постоянное повышение плотности отдельных структур на одном чипе и уменьшение размера этих структур стимулировало развитие методов нанотехнологии и применение наноматериалов.

Открытие явления высокотемпературной сверхпроводимости (Й. Г. Беднорц, К. А. Мюллер, 1986) вызвало большой цикл исследований по созданию оксидных сверхпроводников и раскрытию природы явления.

Развитие твердотельных лазеров потребовало создания легированных монокристаллов, появление полупроводниковых лазеров – квантовых точек и гетеропереходов (см. Лазерные материалы). Химия твёрдого тела разрабатывает также вопросы строения и свойств нестехиометрических соединений и аморфных веществ, связи размеров частиц с их свойствами.

Во 2-й половине 20 в. интенсивно развивалось производство химических источников тока – литий-ионных аккумуляторов, суперконденсаторов и топливных элементов, что потребовало новых материалов для электродов, новых электролитов и эффективных электрокатализаторов. В это же время расширились исследования углеродных материалов: осуществлён синтез искусственных алмазов и наноалмазов (середина Ричард Смолли. Ок. 1980. Университет Райса, Хьюстон.Ричард Смолли. Ок. 1980. Университет Райса, Хьюстон.1950-х гг.), началось промышленное применение стеклоуглерода, алмазоподобного углерода и углеродных волокон, открыты карбин (1960, В. В. Коршак, А. М. Сладков и др.), фуллерены (1985, Р. Кёрл, Х. Крото, Р. Смолли), разработаны методы получения углеродных нанотрубок (1990-е гг.).

Методы исследования

В неорганической химии традиционно применяются два основных приёма исследования: препаративный метод и метод физико-химического анализа. Препаративный метод практиковался с древнейших времён. Его основу составляют проведение реакций между исходными веществами и разделение образующихся продуктов посредством перегонки, возгонки, кристаллизации, фильтрования и других операций. Метод физико-химического анализа в основном создан Н. С. Курнаковым, его учениками и последователями. Сущность метода заключается в измерении различных физических свойств (температур начала и конца кристаллизации, а также электропроводности, твёрдости и др.) систем из 2, 3 и более компонентов. Полученные данные изображают в виде диаграмм состав – свойство. Их геометрический анализ позволяет судить о составе и природе образующихся в системе продуктов, не выделяя и не анализируя их. Физико-химический анализ указывает пути синтеза веществ, даёт научную основу процессов переработки руд, получения солей, металлов, сплавов и других важных технических материалов.

Для современной неорганической химии характерен необычайно обширный круг методов исследования строения и свойств веществ и материалов, среди которых можно выделить основные группы: химический анализ; спектроскопические методы – колебательная спектроскопия (инфракрасная спектроскопия, спектроскопия комбинационного рассеяния света), резонансная спектроскопия (методы ядерного магнитного резонанса, ядерного гамма-резонанса, ядерного квадрупольного резонанса, электронного парамагнитного резонанса), электронная спектроскопия (ультрафиолетовая спектроскопия, оже-спектроскопия, фотоэлектронная спектроскопия), методы рентгенофлуоресцентного анализа и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии; масс-спектрометрия и атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой; дифракционные методы – рентгенография, нейтронография, электронография; термические методы – термография и калориметрия; оптическая и электронная микроскопия.

Большое значение имеет определение важных для техники свойств и особенностей (механические, магнитные, электрические и оптические свойства, жаропрочность, термостойкость, отношение к радиоактивному облучению и др.).

Методы синтеза неорганических соединений

Физические и химические свойства, а также реакционная способность простых веществ и неорганических соединений изменяются в очень широких пределах. Поэтому для синтеза неорганических веществ используют широкий набор различных методов. В общем виде простейший синтез включает смешение реагентов, активацию смеси, собственно химическую реакцию, выделение из неё целевого продукта и очистку последнего.

Многие методы синтеза специфичны. При получении тугоплавких соединений и материалов применяют методы порошковой технологии, реакции спекания и химического осаждения из газовой фазы. Сферические однородные частицы порошков получают плазменной обработкой или с помощью золь-гель процессов. Разработаны специальные методы выделения веществ в виде монокристаллов, монокристаллических плёнок, в том числе эпитаксиальных, и нитевидных кристаллов, волокон, а также в аморфном состоянии. Некоторые реакции проводят в условиях горения, например синтез тугоплавких соединений из смеси порошков простых веществ. Широкое применение в неорганическом синтезе находит криогенная техника.

Практическое значение

Практическое значение неорганической химии определяется её тесной связью с прикладными дисциплинами. Некоторые химические приёмы применялись в древности при производстве стекла, металлов, синтетических пигментов и некоторых лекарственных средств. Тесная связь неорганической химии с ремёслами установилась в 18 в., когда промышленность только зарождалась. Позднее неорганическая химия стала научной основой многих производств, определяющих уровень промышленного развития отдельных стран.

Главной частью прикладной неорганической химии является технология неорганических веществ: крупномасштабные производства серной, соляной, азотной, фосфорной кислот, щелочей, соды, аммиака, хлора, фтора, иода, брома, фосфора, водорода, фтороводородной кислоты и фторидов, а также солей натрия, калия, кальция, магния, различных минеральных удобрений и многих других веществ. Кислоты, щёлочи и соли потребляются другими химическими производствами, предприятиями по переработке руд и плавке металлов, при получении некоторых строительных, многих конструкционных и функциональных материалов. Отдельное направление – производство тугоплавких и жаропрочных материалов.

Помимо металлургических и строительных отраслей, методы неорганической химии используются в атомной промышленности (химическая переработка рудных концентратов, выделение чистых соединений урана, получение гексафторида урана и металлического урана, переработка облучённого топлива АЭС, обезвреживание радиоактивных отходов, производство поглотителей нейтронов и др.), в электронике (производство полупроводников, распыляемых мишеней для нанесения покрытий, газов для химического осаждения из газовой фазы, для плазменного и ионно-плазменного травления и др.), в энергетике (материалы для химических источников тока и др.), в радиотехнике, телевидении, информатике и компьютерной технике (пьезоматериалы, магнитные и голографические материалы, материалы для защиты от электромагнитного излучения и др.), в сельском хозяйстве (удобрения, кормовые добавки, некоторые пестициды и консерванты), при защите окружающей среды от вредных выбросов промышленных предприятий.