무기화학

Inorganic chemistry
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산화칼륨의 이온골조 구조, KO2

무기화학은 무기화합물과 유기금속화합물의 합성과 거동을 다룹니다. 이 분야는 유기화학의 주제인 탄소 기반이 아닌 화학 화합물을 다룹니다. 유기금속 화학의 하위 학문에 많은 중복이 있기 때문에 두 학문의 구별은 절대적인 것과는 거리가 멀습니다. 촉매, 재료 과학, 안료, 계면활성제, 코팅, 의약품, 연료 및 농업을 포함한 화학 산업의 모든 측면에 적용됩니다.[1]

발생

무기화합물은 자연에서 광물로 발견됩니다.[2] 토양에는 황철이 황철로, 황산칼슘이 석고로 함유되어 있을 수 있습니다.[3][4] 무기 화합물은 생체 분자로서도 발견됩니다: 전해질로서(염화나트륨), 에너지 저장으로서(ATP) 또는 건설 중에(DNA의 폴리인산염 백본으로서).

본딩

무기 화합물은 다양한 결합 특성을 나타냅니다. 일부는 이온 화합물로, 이온 결합에 의해 결합된 매우 단순한 양이온과 음이온으로 구성됩니다. 염(이온성 화합물)의 예로는 마그네슘 양이온 Mg2+ 및 염화 음이온 Cl로− 이루어진 염화 마그네슘 MgCl2 또는 나트륨 양이온 Na+ 및 수산화 음이온 OH로− 이루어진 수산화 나트륨 NaOH가 있습니다. 이산화황, 펜타카르보닐 철과 같은 일부 무기 화합물은 공유성이 높습니다. 많은 무기 화합물은 공유결합과 이온결합의 중간체 결합 형태인 극성 공유결합을 특징으로 합니다. 이 설명은 많은 산화물, 탄산염 및 할로겐화물에 적용됩니다. 많은 무기 화합물은 녹는점이 높은 것이 특징입니다. 일부 염(예: NaCl)은 물에 매우 잘 녹습니다.

하나의 반응물에 수소 원자가 포함되어 있을 때 산-염기 화학에서 양성자를 교환함으로써 반응이 일어날 수 있습니다. 좀 더 일반적인 정의에서는 전자쌍과 결합할 수 있는 화학종을 루이스 산(Lewis acid)이라고 하고, 반대로 전자쌍을 기증하려는 경향이 있는 분자를 루이스 염기(Lewis base)라고 합니다.[5] 산-염기 상호작용의 개선으로서, HSAB 이론은 이온의 분극성과 크기를 고려합니다.

무기화학의 세분화

무기화학의 세분류는 다양하지만 다음과 같은 것들이 있습니다.

산업용 무기화학

무기화학은 매우 실용적인 과학 분야입니다. 전통적으로 한 국가의 경제 규모는 황산의 생산성으로 평가할 수 있습니다.

중요한 인공 무기 화합물은 수정에 사용되는 질산암모늄입니다. 암모니아는 하버 공정을 통해 생산됩니다.[6][7][8] 질산은 산화에 의해 암모니아로부터 제조됩니다. 또 다른 대규모 무기재료는 포틀랜드 시멘트입니다. 무기화합물은 이산화황의 산화를 위한 바나듐(V) 산화물, 알켄의 중합을 위한 염화티타늄(III) 등의 촉매로 사용됩니다. 리튬 알루미늄 하이드라이드와 같은 유기 화학에서 많은 무기 화합물이 시약으로 사용됩니다.[citation needed]

기술무기화학

기술적 무기화학은 화합물의 특성에 따른 분류에 중점을 둡니다. 부분적으로는 화합물의 구조적 유사성에 따라 화합물을 그룹화함으로써 화합물에서 가장 무거운 원소(원자량이 가장 높은 원소)의 주기율표에서 위치에 초점을 맞추는 분류도 있습니다.

배위화합물

EDTA는 [Co(EDTA)]−에서 팔면체 배위된 Co3+ 이온을 킬레이트화합니다.
주요 기사: 배위화학

고전 배위 화합물은 HO2, NH3, Cl− 및 CN과− 같은 리간드의 주요 그룹 원자에 상주하는 전자의 "외로운 쌍"에 결합된 금속을 특징으로 합니다. 현대 배위 화합물에서는 거의 모든 유기 및 무기 화합물을 리간드로 사용할 수 있습니다. "금속"은 일반적으로 3-13족의 금속과 트랜스-란타니드 및 트랜스-액티니드이지만 특정 관점에서 모든 화학 화합물을 배위 복합체로 설명할 수 있습니다.

배위 복합체의 입체화학은 Werner가 [Co(OH)2Co(NH3)]436+의 두 거울상이성질체를 분리한 것에서 알 수 있듯이 상당히 풍부할 수 있으며, 이는 키랄성이 유기 화합물에 고유하지 않다는 초기 증명입니다. 이 전문 분야의 주제는 초분자 배위 화학입니다.[9]

배위 화합물은 티타늄(예: TiCl4)의 경우 사면체부터 일부 니켈 복합체의 경우 정사각형 평면, 코발트의 배위 복합체의 경우 팔면체에 이르기까지 다양한 구조를 보여줍니다. 헤모글로빈의 철과 같은 생물학적으로 중요한 화합물에서 다양한 전이 금속이 발견될 수 있습니다.

주족 화합물

테트라황 테트라나이트라이드, SN은44 화학자들을 계속 유혹하는 주요 그룹 화합물입니다.

이 종은 주기율표의 I, II, III, IV, V, VI, VII, VII, 0(수소 제외) 그룹의 원소를 특징으로 합니다. 3족(Sc, Y, La)과 12족(Zn, Cd, Hg)의 원소도 반응성이 비슷하기 때문에 일반적으로 포함되며, 란탄족과 악티니드도 포함되기도 합니다.[10]

주요 그룹 화합물은 화학이 시작될 때부터 알려져 왔습니다. 예를 들어 원소 황과 증류 가능한 백린입니다. 라부아지에와 프리스틀리의 산소, O에2 대한 실험은 중요한 이원자 기체를 확인했을 뿐만 아니라 화학량론적 비율에 따른 화합물과 반응을 설명할 수 있는 길을 열었습니다. 1900년대 초 칼 보쉬와 프리츠 하버가 철 촉매를 이용한 암모니아의 실용적 합성법을 발견하면서 무기화학 합성의 중요성을 입증했습니다. 대표적인 주 그룹 화합물은 SiO2, SnCl4 및 NO입니다2. B(CH3)3와 같은 유기기를 포함하고 있기 때문에 많은 주기 화합물을 "유기금속"으로 분류할 수도 있습니다. 주 그룹 화합물은 DNA의 인산염과 같은 자연 상태에서도 발생하므로 생체 무기물로 분류할 수 있습니다. 반대로 (많은) 수소 리간드가 결여된 유기 화합물은 풀러렌, 버키 튜브 및 이진 탄소 산화물과 같이 "무기"로 분류될 수 있습니다.

비활성 가스 화합물에는 크세논과 크립톤의 여러 유도체가 포함됩니다.

유기금속 화합물

유기 리튬 시약은 여기에 표시된 n-부틸 리튬과 같은 고분자 형태로 가장 많이 발견됩니다.
주요 기사: 유기금속화학

일반적으로 유기금속 화합물은 M-C-H 그룹을 포함하는 것으로 간주됩니다.[11] 이들 종의 금속(M)은 주족 원소이거나 전이 금속일 수 있습니다. 작동적으로, 유기금속 화합물의 정의는 금속 카보닐 및 심지어 금속 알콕사이드와 같은 고도의 친유성 복합체를 포함하도록 더 완화됩니다.

유기 리간드는 종종 가수분해 또는 산화에 민감하기 때문에 유기금속 화합물은 주로 특수 범주로 간주되며, 유기금속 화학은 베르너형 복합체에서 기존보다 더 전문화된 준비 방법을 사용해야 합니다. 합성 방법론, 특히 배위력이 낮은 용매에서 복합체를 조작하는 능력은 탄화수소, H2, N과2 같은 매우 약한 배위 리간드의 탐사를 가능하게 했습니다. 리간드가 어떤 의미에서는 석유화학이기 때문에 유기금속화학 분야는 산업과의 관련성에서 큰 이익을 얻었습니다.

클러스터 화합물

데카보란은 붕소의 강력한 독성 클러스터 화합물입니다.
철-황 클러스터는 철-황 단백질의 중심 구성 요소로, 인체 대사에 필수적입니다.
주요 기사: 클러스터 화합물

클러스터는 모든 종류의 화학 화합물에서 찾을 수 있습니다. 일반적으로 통용되는 정의에 따르면 클러스터는 서로 직접 결합된 삼각형 원자 집합으로 최소한으로 구성됩니다. 그러나 금속-금속 결합 이중 금속 복합체는 이 영역과 관련이 매우 높습니다. 클러스터는 "순수한" 무기 시스템, 유기 금속 화학, 주 그룹 화학 및 생물 무기 화학에서 발생합니다. 매우 큰 성단과 벌크 고체의 구분은 점점 모호해지고 있습니다. 이 계면은 나노과학 또는 나노기술의 화학적 기초이며 특히 카드뮴 셀레나이드 클러스터의 양자 크기 효과 연구에서 발생합니다. 따라서 큰 클러스터는 분자와 고체 사이의 중간에 결합된 원자의 배열로 설명할 수 있습니다.

생체 무기 화합물

비타민 B의12 팔면체 코발트 중심부
주요 기사: 바이오무기화학
참고 항목: 생물유기금속화학

정의에 따르면 이러한 화합물은 자연에서 발생하지만 하위 분야에는 오염 물질(예: 메틸수은) 및 약물(예: 시스플라틴)과 같은 인위적 종이 포함됩니다.[12] 생화학의 많은 측면을 통합하는 이 분야에는 DNA의 인산염과 같은 많은 종류의 화합물과 생물학적 거대분자, 일반적으로 펩티드, 휴믹산과 같은 정의되지 않은 종 및 물에 이르기까지 리간드를 포함하는 금속 복합체가 포함됩니다(예: MRI에 사용된 가돌리늄 복합체에 조정됨). 전통적으로 생체 무기 화학은 호흡과 관련된 단백질의 전자 및 에너지 전달에 중점을 둡니다. 의학 무기 화학에는 진단 및 치료에 적용되는 비필수 요소와 필수 요소를 모두 연구하는 것이 포함됩니다.

고체 화합물

본문: 고체화학
YBaCuO237 또는 YBCO는 임계 온도인 약 90K(-183 °C)보다 더 차가울 때 자석 위에서 공중으로 떠오를 수 있는 고온 초전도체입니다.

이 중요한 영역은 구조,[13] 결합 및 재료의 물리적 특성에 중점을 둡니다. 실제로 고체 무기 화학은 결정학과 같은 기술을 사용하여 고체의 소단위 간의 집단적 상호 작용에서 발생하는 특성을 이해합니다. 고체 화학에는 금속과 그 합금 또는 금속 간 유도체가 포함됩니다. 관련 분야는 응축물 물리학, 광물학, 재료 과학입니다.

분광학과 자기

대부분의 유기 화합물과 달리, 많은 무기 화합물은 자성 및/또는 착색되어 있습니다. 이러한 특성은 결합 및 구조에 대한 정보를 제공합니다. 무기 화합물의 자성은 복잡할 수 있습니다.예를 들어, 대부분의 구리().II) 화합물은 상자성이지만 CuII2(OAc)(4HO2)2는 실온 이하에서 거의 반자성입니다. 이 설명은 아세테이트에서 Cu(II) 사이트 쌍 사이의 자기 결합에 기인합니다.

정성론

결정장 이론은 [FeIII(CN)]63−가 짝을 이루지 않은 전자를 하나만 갖는 이유를 설명합니다.

무기화학은 정성적 이론의 혜택을 크게 받았습니다. 이러한 이론은 양자 이론에 대한 배경 지식이 거의 필요하지 않기 때문에 배우기가 더 쉽습니다. 주요 그룹 화합물 내에서 VSEPR 이론은 주요 그룹 화합물의 구조를 강력하게 예측하거나 적어도 합리화합니다. 예를 들어, NH가3 피라미드인 반면 ClF는3 T 모양인 이유에 대한 설명과 같이. 전이 금속의 경우 결정장 이론을 통해 [FeIII(CN)]63−가 짝을 이루지 않은 전자가 하나인 반면 [FeIII(HO2)]63+는 5개인 이유와 같은 많은 단순 복합체의 자기를 이해할 수 있습니다. 구조와 반응성을 평가하기 위한 특히 강력한 정성적 접근법은 분자 내 중심 원자에서 원자가 전자의 수에 초점을 맞추어 전자 수에 따라 분자를 분류하는 것에서 시작됩니다.[citation needed]

분자대칭군론

이산화질소, NO는2 C 대칭성을2v 나타냄

화학에서 구조는 그룹 이론에서 구현된 분자 대칭입니다. 무기화합물은 특히 다양한 대칭성을 나타내므로, 군론이 무기화학과 밀접하게 연관되어 있는 것이 논리적입니다.[14] 군 이론]은 점군 대칭에 따라 분자의 모양을 설명할 수 있는 언어를 제공합니다. 그룹 이론은 또한 이론 계산의 인수분해 및 단순화를 가능하게 합니다.

분광학적 특징은 특히 진동 또는 전자 상태의 대칭 특성과 관련하여 분석되고 설명됩니다. 지면과 여기 상태의 대칭 특성에 대한 지식을 통해 진동 및 전자 스펙트럼의 흡수 수와 강도를 예측할 수 있습니다. 그룹 이론의 고전적인 응용은 치환된 금속 카르보닐 복합체의 C-O 진동 수를 예측하는 것입니다. 분광학에서 대칭의 가장 일반적인 응용 분야는 진동 및 전자 스펙트럼을 포함합니다.

집단 이론은 서로 다른 종들의 결합에서 공통점과 차이점을 강조합니다. 예를 들어, 금속 기반 궤도는 WF와6 W(CO)에 대해 동일하게 변환되지만 6이러한 궤도의 에너지와 모집단은 크게 다릅니다. 유사한 관계는 CO와2 분자 베릴륨 디플루오라이드가 존재합니다.

열역학 및 무기화학

무기화학에 대한 대안적인 정량적 접근법은 반응의 에너지에 초점을 맞추고 있습니다. 이 접근 방식은 매우 전통적이고 경험적이지만 유용합니다. 열역학적 용어로 표현되는 광범위한 개념에는 산화환원 전위, 산도, 상변화가 포함됩니다. 무기 열역학의 고전적인 개념은 보른-하버 사이클(Born-Haber cycle)로, 전자 친화도와 같은 기본 과정의 에너지를 평가하는 데 사용되며, 그 중 일부는 직접 관찰할 수 없습니다.

기계론적 무기화학

무기 화학의 중요한 측면은 반응 경로, 즉 반응 메커니즘에 초점을 맞춥니다.

주 그룹 요소 및 란타넘족

13-18족의 주족 화합물의 메커니즘은 일반적으로 유기 화학의 맥락에서 논의됩니다(유기 화합물은 결국 주족 화합물입니다). C, N, O, F보다 무거운 원소는 종종 초가 분자에 대한 글에서 설명한 것처럼 옥텟 규칙에 의해 예측된 것보다 더 많은 전자를 가진 화합물을 형성합니다. 이러한 이유로 그들의 반응 메커니즘은 유기 화합물과 다릅니다. Al과 Mg뿐만 아니라 탄소(B, Be, Li)보다 가벼운 원소는 종종 전자적으로 탄산염과 유사한 전자 결핍 구조를 형성합니다. 이러한 전자 결핍 종은 결합 경로를 통해 반응하는 경향이 있습니다. 란타넘족의 화학은 알루미늄에서 볼 수 있는 화학의 많은 측면을 반영합니다.

전이금속 복합체

전이 금속과 주족 화합물은 종종 다르게 반응합니다.[15] 결합에서 d-궤도의 중요한 역할은 리간드 치환 및 해리의 경로와 속도에 강한 영향을 미칩니다. 이러한 주제는 배위 화학 및 리간드에 대한 기사에서 다룹니다. 연상 경로와 해리 경로가 모두 관찰됩니다.

기계적 전이 금속 화학의 가장 중요한 측면은 원형 복합체에서 자유 및 결합수의 교환으로 설명되는 복합체의 운동 안정성[M(HO2)]입니다.6n+

[M(HO)] + 6 HO* → [M(HO*)] + 6 HO
여기서 HO2*는 등방성 농축수를 나타냅니다. 예를 들어, HO217

물 교환 속도는 주기율표에서 20배 정도 차이가 나며, 한 극단의 란타넘족 복합체와 Ir(III) 종이 가장 느립니다.

산화환원반응

산화환원 반응은 전이 원소에 대해 널리 사용됩니다. 산화적 추가/환원 제거와 같은 원자-전달 반응과 전자-전달 반응의 두 가지 종류가 고려됩니다. 기본적인 산화환원 반응은 산화제와 환원제 사이의 퇴화 반응을 포함하는 "자기 교환"입니다. 예를 들어 과망간산염과 그 1전자 환원 상대 망간산염은 1전자를 교환합니다.

[MnO4]− + [Mn*O4]2− → [MnO4]2− + [Mn*O4]−

리간드에서의 반응

배위 리간드는 유리 리간드와 구별되는 반응성을 나타냅니다. 예를 들어, [Co(NH3)]63+의 암모니아 리간드의 산도는 NH3 자체에 비해 상승합니다. 금속 양이온에 결합된 알켄은 친핵체에 반응하는 반면 알켄은 일반적으로 반응하지 않습니다. 촉매 작용의 크고 산업적으로 중요한 영역은 금속이 유기 리간드의 반응성을 수정하는 능력에 달려 있습니다. 균질 촉매는 용액에서 발생하고 이질 촉매는 기체 또는 용해된 기질이 고체 표면과 상호 작용할 때 발생합니다. 전통적으로 균질한 촉매는 유기금속 화학의 일부로 간주되며 이종 촉매는 고체 상태 화학의 하위 분야인 표면 과학의 맥락에서 논의됩니다. 하지만 기본적인 무기화학 원리는 같습니다. 전이 금속은 거의 유일하게 CO, H22, O, CH와24 같은 작은 분자와 반응합니다. 이러한 공급 원료의 산업적 중요성은 촉매 작용의 활성 영역을 주도합니다. 리간드는 또한 트랜스메탈화와 같은 리간드 전달 반응을 겪을 수 있습니다.

무기화합물의 특성 분석

다양한 원소의 범위와 그에 따라 생성된 유도체의 다양한 특성 때문에 무기화학은 많은 분석 방법과 밀접한 관련이 있습니다. 기존의 방법은 용액의 전기 전도도, 녹는점, 용해도 및 산도와 같은 벌크 특성을 조사하는 경향이 있었습니다. 양자 이론의 등장과 그에 따른 전자 장치의 확장으로 무기 분자와 고체의 전자적 특성을 조사하는 새로운 도구가 도입되었습니다. 이러한 측정은 종종 이론적 모델과 관련된 통찰력을 제공합니다. 일반적으로 접하는 기술은 다음과 같습니다.

합성무기화학

일부 무기종은 자연에서 순수한 형태로 얻을 수 있지만 대부분은 화학 공장과 실험실에서 합성됩니다.

무기 합성법은 성분 반응물의 휘발성이나 용해도에 따라 크게 분류할 수 있습니다.[16] 유기 합성 방법을 사용하여 가용성 무기 화합물을 제조합니다. 공기에 반응하는 금속 함유 화합물의 경우 슐렌크 라인과 글로브 박스 기술을 따릅니다. 휘발성 화합물 및 가스는 밸브를 통해 상호 연결된 유리 배관으로 구성된 "진공 매니폴드"에서 조작되며, 이들 전체는 0.001mmHg 이하로 배기될 수 있습니다. 화합물은 액체 질소(b.p. 78K) 또는 기타 극저온을 사용하여 응축됩니다. 고체는 일반적으로 튜브 용광로를 사용하여 제조되며, 반응물과 생성물은 용기에 밀봉되며, 종종 용융 실리카(무정형 SiO2)로 만들어지지만 때로는 용접된 Ta 튜브 또는 Pt "보트"와 같은 보다 특수한 재료로 제조됩니다. 제품과 반응물을 온도대 사이로 운반하여 반응을 유도합니다.

참고 항목

참고문헌

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