الكيمياء غير العضوية

الكيمياء غير العضوية مجال علمي ذو تطبيقات عملية للغاية. تقليدياً، كان يُقاس حجم اقتصاد الدولة بإنتاجيتها من حمض الكبريتيك .

يُعد نترات الأمونيوم من المركبات غير العضوية المصنعة الهامة ، ويُستخدم في التسميد. يُنتج الأمونيا من خلال عملية هابر . ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} ويُحضّر حمض النيتريك من الأمونيا عن طريق الأكسدة. ومن المواد غير العضوية الأخرى واسعة الانتشار أسمنت بورتلاند . تُستخدم المركبات غير العضوية كعوامل حفازة ، مثل أكسيد الفاناديوم (V) لأكسدة ثاني أكسيد الكبريت، وكلوريد التيتانيوم (III) لبلمرة الألكينات . كما تُستخدم العديد من المركبات غير العضوية ككواشف في الكيمياء العضوية، مثل هيدريد الليثيوم والألومنيوم . ^{[ 9 ]}

تتميز مركبات التناسق الكلاسيكية بوجود فلزات مرتبطة بأزواج إلكترونية حرة على ذرات المجموعات الرئيسية في الروابط ^، مثل H₂O _و NH₃ و _Cl⁻ و CN⁻ ^. أما في مركبات التناسق الحديثة ، فيمكن استخدام جميع المركبات العضوية وغير العضوية تقريبًا كروابط. عادةً ما يكون "الفلز" من فلزات المجموعات من 3 إلى 13، بالإضافة إلى اللانثانيدات والأكتينيدات في اتجاه الموضع ، ولكن من منظور معين، يمكن وصف جميع المركبات الكيميائية بأنها معقدات تناسق.

قد تكون الكيمياء الفراغية للمركبات التناسقية غنية للغاية، كما يتضح من فصل فيرنر لمتماثلين ضوئيين من [Co((OH) _₂Co (NH₃ ₎ ₄ ₎ ₃ _] ⁶⁺ ^، وهو دليل مبكر على أن الكيرالية ليست خاصية متأصلة في المركبات العضوية. ومن المواضيع المهمة ضمن هذا التخصص كيمياء التناسق فوق الجزيئية. ^{[ 10 ]}

• أمثلة: [Co( EDTA )] ⁻ ، [Co(NH ₃ ) ₆ ] ³⁺ ، TiCl ₄ ( THF ) ₂ .

تُظهر المركبات التناسقية تنوعًا كبيرًا في بنيتها، بدءًا من البنية رباعية الأوجه للتيتانيوم (مثل TiCl₄ ₎ وصولًا إلى البنية المربعة المستوية لبعض معقدات النيكل، وانتهاءً بالبنية ثمانية الأوجه لمعقدات التناسق للكوبالت. ويمكن العثور على مجموعة من الفلزات الانتقالية في مركبات ذات أهمية بيولوجية، مثل الحديد في الهيموجلوبين.

• أمثلة: خماسي كربونيل الحديد ، رباعي كلوريد التيتانيوم ، سيسبلاتين

تضم هذه الأنواع عناصر من المجموعات الأولى والثانية والثالثة والرابعة والخامسة والسادسة والسابعة والصفر (باستثناء الهيدروجين) من الجدول الدوري. ونظرًا لتشابه تفاعليتها في كثير من الأحيان، تُدرج أيضًا عناصر المجموعة الثالثة ( السكانديوم ، والإيتريوم ، واللانثانوم ) والمجموعة الثانية عشرة ( الزنك ، والكادميوم ، والزئبق ) ، وأحيانًا تُدرج اللانثانيدات والأكتينيدات أيضًا. ^{[ 11 ]}

عُرفت مركبات العناصر الرئيسية منذ بدايات الكيمياء، مثل الكبريت العنصري والفوسفور الأبيض القابل للتقطير . لم تقتصر تجارب لافوازييه وبريستلي على الأكسجين (O₂) على تحديد غاز ثنائي الذرة مهم فحسب ، بل فتحت أيضًا الطريق _لوصف المركبات والتفاعلات وفقًا للنسب القياسية . كان لاكتشاف كارل بوش وفريتز هابر في أوائل القرن العشرين طريقة عملية لتخليق الأمونيا باستخدام محفزات الحديد أثر بالغ على البشرية، مُظهرًا أهمية التخليق الكيميائي غير العضوي. من مركبات العناصر الرئيسية النموذجية : SiO₂ _و SnCl₄ و _N₂O . يمكن تصنيف العديد من مركبات العناصر الرئيسية أيضًا على أنها "عضوية فلزية"، لاحتوائها على مجموعات عضوية، مثل B( CH₃ _{) ₃} . توجد مركبات العناصر الرئيسية أيضًا في الطبيعة، مثل الفوسفات في الحمض النووي DNA ، وبالتالي يمكن تصنيفها على أنها مركبات حيوية غير عضوية _. وعلى العكس من ذلك، يمكن تصنيف المركبات العضوية التي تفتقر إلى (العديد من) روابط الهيدروجين على أنها "غير عضوية"، مثل الفوليرين، وأنابيب الباكي، وأكاسيد الكربون الثنائية.

• أمثلة: رباعي الكبريت رباعي النتريد S ₄ N ₄ ، ثنائي البوران B ₂ H ₆ ، السيليكونات ، بوكمينستر فوليرين C ₆₀ .

تشمل مركبات الغازات النبيلة العديد من مشتقات الزينون والكريبتون .

• أمثلة: _سداسي فلوريد الزينون XeF6 _، وثلاثي أكسيد الزينون XeO3 _، وثنائي فلوريد الكريبتون KrF2

عادةً، تُعتبر المركبات العضوية الفلزية مُحتويةً على مجموعة MCH. ^{[ 12 ]} يمكن أن يكون الفلز (M) في هذه المركبات إما عنصرًا من عناصر المجموعة الرئيسية أو فلزًا انتقاليًا. عمليًا، يُعرّف المركب العضوي الفلزي تعريفًا أوسع ليشمل أيضًا المعقدات شديدة الكراهية للماء مثل كربونيلات الفلزات وحتى ألكوكسيدات الفلزات .

تُعتبر المركبات العضوية الفلزية فئةً خاصة، إذ غالبًا ما تكون الروابط العضوية حساسةً للتحلل المائي أو الأكسدة، مما يستلزم استخدام أساليب تحضيرية أكثر تخصصًا في الكيمياء العضوية الفلزية مقارنةً بالأساليب التقليدية في مركبات فيرنر. وقد مكّنت المنهجية التركيبية، ولا سيما القدرة على التعامل مع المركبات في مذيبات ذات قدرة تنسيقية منخفضة، من استكشاف روابط ذات قدرة تنسيقية ضعيفة جدًا، مثل الهيدروكربونات والهيدروجين _{والنيتروجين .} ولأن هذه الروابط تُعدّ من المواد البتروكيميائية، فقد استفاد مجال الكيمياء العضوية الفلزية بشكل كبير من أهميته في الصناعة.

• أمثلة: ثنائي كربونيل سيكلوبنتادينيل الحديد ( C₅H₅ ₎ Fe(CO) _₂CH₃ ، فيروسين Fe( C₅H₅)₂، _سداسي كربونيل _{الموليبدينوم} Mo ( CO) _{₆ ، ثلاثي إيثيل} بوران Et₃B ، ثلاثي ₍ ثنائي بنزيليدين أسيتون) ثنائي البلاديوم (0) _Pd₂ ( dba) _₃

توجد التجمعات الذرية في جميع فئات المركبات الكيميائية . ووفقًا للتعريف المتعارف عليه، يتكون التجمع الذري، كحد أدنى، من مجموعة مثلثة من الذرات المرتبطة ببعضها ارتباطًا مباشرًا. إلا أن المعقدات ثنائية الفلزات المرتبطة بروابط فلزية تُعد ذات أهمية بالغة في هذا المجال. وتوجد التجمعات الذرية في الأنظمة غير العضوية "الخالصة"، وفي الكيمياء العضوية الفلزية، وكيمياء العناصر الرئيسية، والكيمياء الحيوية غير العضوية. ويتلاشى التمييز بين التجمعات الذرية الكبيرة جدًا والمواد الصلبة بشكل متزايد. ويمثل هذا التداخل الأساس الكيميائي لعلم النانو أو تكنولوجيا النانو ، وينشأ تحديدًا من دراسة تأثيرات الحجم الكمي في تجمعات سيلينيد الكادميوم . وبالتالي، يمكن وصف التجمعات الذرية الكبيرة بأنها مجموعة من الذرات المرتبطة، ذات طبيعة متوسطة بين الجزيء والمادة الصلبة.

• أمثلة _: Fe3 ( CO ⁾ ₁₂ ، B10H14 _، [ _Mo6Cl14 ] 2− _، 4Fe - 4S_​

بحكم تعريفها، توجد هذه المركبات في الطبيعة، لكن هذا المجال الفرعي يشمل أنواعًا من صنع الإنسان، مثل الملوثات (مثل ميثيل الزئبق ) والأدوية (مثل السيسبلاتين ). ^{[ 13 ]} يشمل هذا المجال، الذي يضم العديد من جوانب الكيمياء الحيوية، أنواعًا عديدة من المركبات، مثل الفوسفات في الحمض النووي، بالإضافة إلى المعقدات المعدنية التي تحتوي على روابط تتراوح من الجزيئات الحيوية الكبيرة، كالببتيدات عادةً ، إلى أنواع غير محددة بدقة مثل حمض الهيوميك ، وصولًا إلى الماء (مثل الماء المرتبط بمعقدات الغادولينيوم المستخدمة في التصوير بالرنين المغناطيسي ). يركز علم الكيمياء الحيوية اللاعضوية تقليديًا على نقل الإلكترونات والطاقة في البروتينات ذات الصلة بالتنفس. أما الكيمياء الطبية اللاعضوية فتشمل دراسة العناصر غير الأساسية والأساسية على حد سواء، مع تطبيقات في التشخيص والعلاج.

• أمثلة: الهيموجلوبين ، ميثيل الزئبق ، كاربوكسي ببتيداز

يركز هذا المجال المهم على بنية المواد ، ^{والروابط الكيميائية} ، والخواص الفيزيائية لها. عمليًا، تستخدم كيمياء الحالة الصلبة غير العضوية تقنيات مثل علم البلورات لفهم الخواص الناتجة عن التفاعلات الجماعية بين وحدات المادة الصلبة. تشمل كيمياء الحالة الصلبة المعادن وسبائكها أو مشتقاتها بين الفلزية. ^ومن المجالات ذات الصلة: فيزياء المادة المكثفة ، وعلم المعادن ، وعلم المواد .

• أمثلة : _رقائق السيليكون ، الزيوليت ، YBa₂Cu₃O₇_​​_​

استفادت الكيمياء غير العضوية بشكل كبير من النظريات النوعية. تتميز هذه النظريات بسهولة تعلمها نظرًا لقلة حاجتها إلى معرفة مسبقة بنظرية الكم. ففي مركبات العناصر الرئيسية، تتنبأ نظرية تنافر أزواج إلكترونات غلاف التكافؤ (VSEPR) بقوة، أو على الأقل تُفسر، بنية هذه المركبات، مثل تفسير سبب كون جزيء الأمونيا (NH₃ ₎ هرميًا بينما يكون جزيء فلوريد _الكلور (ClF₃ ) على شكل حرف T. أما بالنسبة للمعادن الانتقالية، فتتيح نظرية المجال البلوري فهم مغناطيسية العديد من المركبات المعقدة البسيطة، مثل سبب احتواء أيون الحديد ^{الثلاثي} [Fe³⁺ (CN) _₆ ] ^³⁻ على إلكترون منفرد واحد فقط، بينما يحتوي أيون الحديد ^{الثلاثي} [Fe³⁺ (H₂O ₎ ₆ _] ³⁺ ^على خمسة إلكترونات. ويبدأ أحد الأساليب النوعية الفعالة لتقييم البنية والتفاعلية بتصنيف الجزيئات وفقًا لعدد الإلكترونات ، مع التركيز على عدد إلكترونات التكافؤ ، والتي عادةً ما تكون موجودة في الذرة المركزية للجزيء.

يُعدّ التناظر الجزيئي أحد المفاهيم الأساسية في الكيمياء ، كما يتجسد في نظرية الزمر . تُظهر المركبات غير العضوية تناظرات متنوعة للغاية، لذا فمن المنطقي أن تكون نظرية الزمر وثيقة الصلة بالكيمياء غير العضوية. ^{[ 15 ]} توفر نظرية الزمر اللغة اللازمة لوصف أشكال الجزيئات وفقًا لتناظرها النقطي . كما تُتيح نظرية الزمر تحليل وتبسيط الحسابات النظرية.

تُحلل الخصائص الطيفية وتُوصَف بناءً على خصائص التناظر، بما في ذلك الحالات الاهتزازية والإلكترونية. تُمكّن معرفة خصائص التناظر للحالات الأرضية والمثارة من التنبؤ بعدد وشدة الامتصاصات في الأطياف الاهتزازية والإلكترونية. ومن التطبيقات الكلاسيكية لنظرية الزمر التنبؤ بعدد اهتزازات الرابطة C–O في معقدات الكربونيل المعدنية المُستبدلة. وتشمل التطبيقات الأكثر شيوعًا للتناظر في علم الأطياف الأطياف الاهتزازية والإلكترونية.

تُبرز نظرية الزمر أوجه التشابه والاختلاف في الروابط بين أنواع كيميائية متباينة. فعلى سبيل المثال، تتحول المدارات المعدنية بشكل متطابق في WF₆ و W ₍ CO) _₆ ، لكن طاقات هذه المدارات وتوزيعاتها تختلف اختلافًا كبيرًا. وتوجد علاقة مماثلة بين CO₂ _وجزيء ثنائي فلوريد البريليوم .

تُناقش آليات مركبات العناصر الرئيسية من المجموعات 13 إلى 18 عادةً في سياق الكيمياء العضوية (فالمركبات العضوية هي في الأصل مركبات عناصر رئيسية). غالبًا ما تُكوّن العناصر الأثقل من الكربون والنيتروجين والأكسجين والفلور مركبات تحتوي على عدد من الإلكترونات يفوق ما يُتوقع وفقًا لقاعدة الثمانية ، كما هو موضح في مقال الجزيئات فائقة التكافؤ . ولهذا السبب، تختلف آليات تفاعلاتها عن المركبات العضوية. أما العناصر الأخف من الكربون ( البورون ، والبريليوم ، والليثيوم )، بالإضافة إلى الألومنيوم والمغنيسيوم ، فغالبًا ما تُكوّن تراكيب فقيرة بالإلكترونات تُشبه إلكترونيًا الكربوكاتيونات . وتميل هذه الأنواع الفقيرة بالإلكترونات إلى التفاعل عبر مسارات ترابطية. وتُحاكي كيمياء اللانثانيدات العديد من جوانب كيمياء الألومنيوم.

تتفاعل مركبات الفلزات الانتقالية ومركبات العناصر الرئيسية غالبًا بشكل مختلف. ^{[ 16 ]} يؤثر الدور المهم لمدارات d في الترابط بشكل كبير على مسارات ومعدلات استبدال الليجاندات وتفككها. تُغطى هذه المواضيع في مقالات حول كيمياء التناسق والليجاندات . وقد لوحظت مسارات الترابط والتفكك على حد سواء.

يتمثل أحد الجوانب الرئيسية للكيمياء الميكانيكية للمعادن الانتقالية في عدم استقرار حركية المركب، والذي يتضح من خلال تبادل الماء الحر والماء المرتبط في المركبات النموذجية [M(H ₂ O) ₆ ] ⁿ⁺ :

[ M(H₂O ₎ ₆ _] ⁿ⁺ ⁺ 6H₂O⁺ _→ [M( _H₂O⁺ ) _₆ ] ^ⁿ⁺ + _6H₂O

حيث يرمز H₂O _* إلى الماء المخصب بالنظائر، على سبيل المثال ^، _H₂¹⁷O

تختلف معدلات تبادل الماء بمقدار 20 رتبة من حيث الحجم عبر الجدول الدوري، حيث تكون مركبات اللانثانيدات في أحد طرفي الطيف، بينما تكون أنواع Ir(III) هي الأبطأ.