Química Inorgánica
Definición
La química inorgánica se ocupa de la síntesis y el comportamiento de compuestos inorgánicos y organometálicos. Este campo abarca todos los compuestos químicos excepto la miríada de compuestos orgánicos (compuestos a base de carbono, que generalmente contienen enlaces CH), que son sujetos de la química orgánica. La distinción entre las dos disciplinas dista mucho de ser absoluta, ya que hay mucha superposición en la subdisciplina de la química organometálica. Tiene aplicaciones en todos los aspectos de la industria química, incluida la catálisis, la ciencia de los materiales, los pigmentos, los surfactantes, los revestimientos, los medicamentos, los combustibles y la agricultura.
Conceptos clave
Muchos compuestos inorgánicos son compuestos iónicos, que consisten en cationes y aniones unidos por enlaces iónicos. Ejemplos de sales (que son compuestos iónicos) son cloruro de magnesio MgCl 2 , que consiste en magnesiumcations Mg y aniones cloruro Cl; o óxido de sodio Na 2 O, que consiste en cationes de sodio Na y oxideanions O. En cualquier sal, las proporciones de los iones son tales que las cargas eléctricas se anulan, de manera que el compuesto a granel es eléctricamente neutro. Los iones se describen por su estado de oxidación y su facilidad de formación se puede deducir del potencial de ionización (para cationes) o de la afinidad electrónica (aniones) de los elementos originales.
Important classes of inorganic compounds are the oxides, the carbonates, the sulfates, and the halides. Many inorganic compounds are characterized by high melting points. Inorganic salts typically are poor conductors in the solid state. Other important features include their high melting point and ease of crystallization. Where some salts (e.g., NaCl) are very soluble in water, others (e.g., SiO2) are not.
The simplest inorganic reaction is double displacement when in mixing of two salts the ions are swapped without a change in oxidation state. In redox reactions one reactant, the oxidant, lowers its oxidation state and another reactant, the reductant, has its oxidation state increased. The net result is an exchange of electrons. Electron exchange can occur indirectly as well, e.g., in batteries, a key concept in electrochemistry.
When one reactant contains hydrogen atoms, a reaction can take place by exchanging protons in acid-base chemistry. In a more general definition, any chemical species capable of binding to electron pairs is called a Lewis acid; conversely any molecule that tends to donate an electron pair is referred to as a Lewis base. As a refinement of acid-base interactions, the HSAB theory takes into account polarizability and size of ions.
Inorganic compounds are found in nature as minerals. Soil may contain iron sulfide as pyrite or calcium sulfate as gypsum. Inorganic compounds are also found multitasking as biomolecules: as electrolytes (sodium chloride), in energy storage (ATP) or in construction (the polyphosphate backbone in DNA).
El primer compuesto inorgánico artificial importante fue el nitrato de amonio para la fertilización del suelo a través del proceso de Haber. Los compuestos inorgánicos se sintetizan para usar como catalizadores tales como el óxido de vanadio (V) y el cloruro de titanio (III), o como reactivos en la química orgánica tal como el hidruro de litio y aluminio.
Las subdivisiones de la química inorgánica son la química organometálica, la química de clúster y la química bioinorgánica. Estos campos son áreas activas de investigación en química inorgánica, destinados a nuevos catalizadores, superconductores y terapias.
Química inorgánica industrial
La química inorgánica es un área de la ciencia altamente práctica. Tradicionalmente, la escala de la economía de una nación podría evaluarse por su productividad de ácido sulfúrico. Los principales 20 productos químicos inorgánicos fabricados en Canadá, China, Europa, India, Japón y los EE. UU. (Datos de 2005): sulfato de aluminio, amoniaco, nitrato de amonio, sulfato de amonio, negro de humo, cloro, ácido clorhídrico, hidrógeno, peróxido de hidrógeno, nítrico ácido, nitrógeno, oxígeno, ácido fosfórico, carbonato de sodio, clorato de sodio, hidróxido de sodio, silicato de sodio, sulfato de sodio, ácido sulfúrico y dióxido de titanio.
La fabricación de fertilizantes es otra aplicación práctica de la química inorgánica industrial.
Química inorgánica descriptiva
La química inorgánica descriptiva se centra en la clasificación de los compuestos en función de sus propiedades. En parte, la clasificación se centra en la posición en la tabla periódica del elemento más pesado (el elemento con el mayor peso atómico) en el compuesto, en parte agrupando compuestos por sus similitudes estructurales. Cuando se estudian compuestos inorgánicos, a menudo se encuentran partes de las diferentes clases de química inorgánica (un compuesto organometálico se caracteriza por su química de coordinación, y puede mostrar interesantes propiedades de estado sólido).
Diferentes clasificaciones son:
Compuestos de coordinación
Los compuestos de coordinación clásica presentan metales unidos a "pares solitarios" de electrones que residen en los átomos del grupo principal de ligandos tales como H 2 O, NH 3 , Cl y CN. En los compuestos modernos de coordinación casi todos los compuestos orgánicos e inorgánicos se pueden usar como ligandos. El "metal" por lo general es un metal de los grupos 3-13, así como los trans -lanthanides y trans -actinides, pero desde un cierto punto de vista, todos los compuestos químicos puede ser descrito como complejos de coordinación.
La estereoquímica de los complejos de coordinación puede ser bastante rica, como lo sugiere la separación de Werner de dos enantiómeros de [Co ((OH) 2 Co (NH 3 ) 4 ) 3 ], una demostración temprana de que la quiralidad no es inherente a los compuestos orgánicos. Un tema tópico dentro de esta especialización es la química de coordinación supramolecular.
- Ejemplos: [Co (EDTA)], [Co (NH 3 ) 6 ], TiCl 4 (THF) 2. Compuestos de grupo principal
Estas especies presentan elementos de los grupos I, II, III, IV, V, VI, VII, 0 (excluyendo hidrógeno) de la tabla periódica. Debido a su reactividad a menudo similar, los elementos en el grupo 3 (Sc, Y y La) y el grupo 12 (Zn, Cd y Hg) también se incluyen generalmente, y los lantánidos y actínidos también se incluyen a veces.
Los compuestos del grupo principal se conocen desde los comienzos de la química, por ejemplo, el azufre elemental y el fósforo blanco destilable. Los experimentos con oxígeno, O
2 , realizados por Lavoisier y Priestley no solo identificaron un gas diatómico importante, sino que también abrieron el camino para describir compuestos y reacciones de acuerdo con las relaciones estequiométricas. El descubrimiento de una síntesis práctica de amoníaco usando catalizadores de hierro por Carl Bosch y Fritz Haber a principios de 1900 impactó profundamente a la humanidad, demostrando la importancia de la síntesis química inorgánica. Compuestos de grupo principales típicos son SiO 2 , SnCl 4 , y N 2 O. Muchos compuestos del grupo principal también pueden ser clasificados como “organometálico”, ya que contienen grupos orgánicos, por ejemplo, B (CH
3 )3 ). Los compuestos del grupo principal también ocurren en la naturaleza, por ejemplo, el fosfato en el ADN, y por lo tanto pueden clasificarse como bioinorgánicos. Por el contrario, los compuestos orgánicos que carecen (muchos) de ligandos de hidrógeno se pueden clasificar como "inorgánicos", como los fullerenos, los buckytubes y los óxidos de carbono binarios.
2 , realizados por Lavoisier y Priestley no solo identificaron un gas diatómico importante, sino que también abrieron el camino para describir compuestos y reacciones de acuerdo con las relaciones estequiométricas. El descubrimiento de una síntesis práctica de amoníaco usando catalizadores de hierro por Carl Bosch y Fritz Haber a principios de 1900 impactó profundamente a la humanidad, demostrando la importancia de la síntesis química inorgánica. Compuestos de grupo principales típicos son SiO 2 , SnCl 4 , y N 2 O. Muchos compuestos del grupo principal también pueden ser clasificados como “organometálico”, ya que contienen grupos orgánicos, por ejemplo, B (CH
3 )3 ). Los compuestos del grupo principal también ocurren en la naturaleza, por ejemplo, el fosfato en el ADN, y por lo tanto pueden clasificarse como bioinorgánicos. Por el contrario, los compuestos orgánicos que carecen (muchos) de ligandos de hidrógeno se pueden clasificar como "inorgánicos", como los fullerenos, los buckytubes y los óxidos de carbono binarios.
- Ejemplos: Tetrasulfur tetranitruro S 4 N 4 , diborano B 2 H 6 , siliconas, buckminsterfullereno C 60 .
Compuestos de metal de transición
Los compuestos que contienen metales del grupo 4 al 11 se consideran compuestos de metal de transición. Los compuestos con un metal del grupo 3 o 12 a veces también se incorporan a este grupo, pero también suelen clasificarse como compuestos del grupo principal.
Los compuestos de metales de transición muestran una rica química de coordinación, que varía desde tetraédrico para titanio (por ejemplo, TiCl 4 ) a planar cuadrado para algunos complejos de níquel hasta octaédricos para complejos de coordinación de cobalto. Se puede encontrar una gama de metales de transición en compuestos biológicamente importantes, como el hierro en la hemoglobina.
- Ejemplos: pentacarbonilo de hierro, tetracloruro de titanio, cisplatino
Compuestos organometálicos
Habitualmente, se considera que los compuestos organometálicos contienen el grupo MCH. El metal (M) en estas especies puede ser un elemento de grupo principal o un metal de transición. Operativamente, la definición de un compuesto organometálico es más relajada para incluir también complejos altamente lipófilos tales como carbonilos metálicos e incluso alcóxidos metálicos.
Los compuestos organometálicos se consideran principalmente como una categoría especial porque los ligandos orgánicos a menudo son sensibles a la hidrólisis u oxidación, lo que exige que la química organometálica emplee métodos preparativos más especializados que los tradicionales en los complejos tipo Werner. La metodología sintética, especialmente la capacidad de manipular complejos en disolventes de baja potencia de coordinación, permitió la exploración de ligandos de coordinación muy débil, tales como hidrocarburos, H 2 y N 2 . Debido a que los ligandos son petroquímicos en cierto sentido, el área de la química organometálica se ha beneficiado enormemente de su relevancia para la industria.
- Ejemplos: dímero de dicarbonilo de ciclopentadieniliron (C 5 H 5 ) Fe (CO) 2 CH 3 , Ferroceno Fe (C 5 H 5 ) 2 , hexacarbonilo de molibdeno Mo (CO) 6 , DiboraneB 2 H 6 , Tetrakis (trifenilfosfina) paladio (0) Pd [P (C 6 H 5 ) 3 ] 4
Compuestos de racimo
Los clústeres se pueden encontrar en todas las clases de compuestos químicos. De acuerdo con la definición comúnmente aceptada, un grupo consiste mínimamente en un conjunto triangular de átomos que están directamente unidos entre sí. Pero los complejos dimetallic unidos metal-metal son altamente relevantes para el área. Los conglomerados ocurren en sistemas inorgánicos "puros", química organometálica, química de grupo principal y química bioinorgánica. La distinción entre racimos muy grandes y sólidos a granel es cada vez más borrosa. Esta interfaz es la base química de la nanociencia o la nanotecnología y surge específicamente del estudio de los efectos del tamaño cuántico en los cúmulos de seleniuro de cadmio. Por lo tanto, los grandes grupos pueden describirse como una matriz de átomos enlazados de carácter intermedio entre una molécula y un sólido.
- Ejemplos: Fe 3 (CO) 12 , B 10 H 14 , [Mo 6 Cl 14 ], 4Fe-4S
Compuestos bioinorgánicos
Por definición, estos compuestos ocurren en la naturaleza, pero el subcampo incluye especies antropogénicas, como contaminantes (p. Ej., Metilmercurio) y drogas (p. Ej., Cisplatino). El campo, que incorpora muchos aspectos de la bioquímica, incluye muchos tipos de compuestos, por ejemplo, los fosfatos en el ADN, y también complejos metálicos que contienen ligandos que van desde macromoléculas biológicas, comúnmente péptidos, hasta especies mal definidas como el ácido húmico y hasta agua (por ejemplo, coordinada a los complejos de gadolinio empleados para MRI). Tradicionalmente, la química bioinorgánica se centra en la transferencia de electrones y energía en proteínas relevantes para la respiración. La química inorgánica medicinal incluye el estudio de elementos no esenciales y esenciales con aplicaciones para diagnóstico y terapias.
- Ejemplos: hemoglobina, metilmercurio, carboxipeptidasa
Compuestos de estado sólido
Esta área importante se centra en la estructura, la vinculación y las propiedades físicas de los materiales. En la práctica, la química inorgánica de estado sólido utiliza técnicas como la cristalografía para comprender las propiedades que resultan de las interacciones colectivas entre las subunidades del sólido. Se incluyen en química de estado sólido los metales y sus aleaciones o derivados intermetálicos. Los campos relacionados son física de materia condensada, mineralogía y ciencia de materiales.
Ejemplos: chips de silicio, zeolitas, YBa2Cu3O7Química inorgánica teórica
Una perspectiva alternativa en el área de la química inorgánica comienza con el modelo del átomo de Bohr y, utilizando las herramientas y los modelos de la química teórica y la química computacional, se expande en enlaces en moléculas simples y luego más complejas. Las descripciones mecánicas cuánticas precisas para las especies de multielectrones, la provincia de la química inorgánica, son difíciles. Este desafío ha engendrado muchos enfoques semicuantitativos o semiempíricos que incluyen la teoría de orbitales moleculares y la teoría de campos de ligandos. En paralelo con estas descripciones teóricas, se emplean metodologías aproximadas, incluida la teoría del funcional de la densidad.
Las excepciones a las teorías, cualitativas y cuantitativas, son extremadamente importantes en el desarrollo del campo. Por ejemplo, Cu 2 (OAc) 4 (H 2 O) 2 es casi diamagnético por debajo de la temperatura ambiente, mientras que la Teoría del Campo de Cristal predice que la molécula tendría dos electrones desapareados. El desacuerdo entre la teoría cualitativa (paramagnética) y la observación (diamagnética) condujo al desarrollo de modelos de "acoplamiento magnético". Estos modelos mejorados llevaron al desarrollo de nuevos materiales magnéticos y nuevas tecnologías.
Teorías cualitativas
La química inorgánica se ha beneficiado enormemente de las teorías cualitativas. Tales teorías son más fáciles de aprender, ya que requieren pocos antecedentes en la teoría cuántica. Dentro de los compuestos del grupo principal, trepev predice poderosamente, o al menos racionaliza, las estructuras de compuestos grupo principal, tales como una explicación de por qué NH 3 es piramidal mientras que ClF 3 es en forma de T. Para los metales de transición, la teoría del campo de cristal permite comprender el magnetismo de muchos complejos simples, como por qué [Fe (CN) 6 ] tiene solo un electrón desapareado, mientras que [Fe (H 2 O) 6]] tiene cinco. Un enfoque cualitativo particularmente poderoso para evaluar la estructura y la reactividad comienza con la clasificación de las moléculas de acuerdo con el conteo de electrones, centrándose en el número de electrones de valencia, generalmente en el átomo central de una molécula.
Teoría de grupo de simetría molecular
Una construcción central en química inorgánica es la teoría de la simetría molecular. La teoría de grupos matemáticos proporciona el lenguaje para describir las formas de las moléculas de acuerdo con la simetría de su grupo de puntos. La teoría de grupos también permite factorizar y simplificar los cálculos teóricos.
Las características espectroscópicas se analizan y describen con respecto a las propiedades de simetría de, entre otros , estados vibratorios o electrónicos. El conocimiento de las propiedades de simetría de los estados de tierra y excitados permite predecir los números y las intensidades de las absorciones en los espectros vibratorios y electrónicos. Una aplicación clásica de la teoría de grupos es la predicción del número de vibraciones de CO en complejos carbonílicos metálicos sustituidos. Las aplicaciones más comunes de simetría a espectroscopía involucran espectros vibratorios y electrónicos.
Como una herramienta de instrucción, la teoría de grupos destaca las similitudes y diferencias en la vinculación de especies que de otro modo serían dispares, como WF 6 y Mo (CO) 6 o CO 2 y NO 2 .
Termodinámica y química inorgánica
Un enfoque cuantitativo alternativo a la química inorgánica se centra en las energías de las reacciones. Este enfoque es altamente tradicional y empírico, pero también es útil. Los conceptos generales que se expresan en términos termodinámicos incluyen el potencial redox, la acidez, los cambios de fase. Un concepto clásico en termodinámica inorgánica es el ciclo Born-Haber, que se utiliza para evaluar las energías de procesos elementales, como la afinidad electrónica, algunos de los cuales no se pueden observar directamente.
Química inorgánica mecanicista
Un aspecto importante y cada vez más popular de la química inorgánica se centra en las vías de reacción. Los mecanismos de reacciones se discuten de manera diferente para diferentes clases de compuestos.
Elementos principales del grupo y lantánidos
Los mecanismos de los compuestos del grupo principal de los grupos 13-18 generalmente se discuten en el contexto de la química orgánica (después de todo, los compuestos orgánicos son compuestos del grupo principal). Los elementos más pesados que C, N, O y F a menudo forman compuestos con más electrones de lo que predice la regla del octeto, como se explica en el artículo sobre moléculas hipervalentes. Los mecanismos de sus reacciones difieren de los compuestos orgánicos por esta razón. Los elementos más ligeros que el carbono (B, Be, Li), así como el Al y el Mg a menudo forman estructuras deficientes en electrones que son electrónicamente similares a los carbocationes. Dichas especies deficientes en electrones tienden a reaccionar a través de vías asociativas. La química de los lantánidos refleja muchos aspectos de la química observada para el aluminio.
Complejos de metal de transición
Los mecanismos para las reacciones de los metales de transición se discuten de manera diferente a los compuestos del grupo principal. El importante papel de los d-orbitales en la unión influye fuertemente en las vías y las tasas de sustitución y disociación del ligando. Estos temas están cubiertos en artículos sobre química de coordinación y ligando. Se observan vías asociativas y disociativas.
Un aspecto general de la química mecánica del metal de transición es la labilidad cinética del complejo ilustrado por el intercambio de agua libre y ligada en los complejos prototípicos [M (H 2O) 6 ]:
- [M (H 2 O) 6 ] + 6 H 2 O * → [M (H 2 O *) 6 ] + 6 H 2 O
- donde H 2 O * denota agua isotópicamente enriquecida, por ejemplo, H 2 O
Las tasas de intercambio de agua varían en 20 órdenes de magnitud en la tabla periódica, con los complejos de lantánidos en un extremo y las especies Ir (III) siendo las más lentas.
Reacciones redox
Las reacciones redox son frecuentes para los elementos de transición. Se consideran dos clases de reacciones redox: reacciones de transferencia de átomos, como la adición oxidativa / eliminación reductiva y la transferencia de electrones. Una reacción redox fundamental es el "autocambio", que implica la reacción degenerada entre un oxidante y un reductor. Por ejemplo, el permanganato y su manganato relativo de un electrón reducido intercambian un electrón:
- [MnO 4 ] + [Mn * O 4 ] → [MnO 4 ] + [Mn * O 4 ]
Reacciones en ligandos
Los ligandos coordinados muestran reactividad distinta de los ligandos libres. Por ejemplo, la acidez de los ligandos de amoníaco en [Co (NH 3 ) 6 ] es elevada en relación con NH 3 sí mismo. Los alquenos unidos a los cationes metálicos son reactivos hacia los nucleófilos, mientras que los alquenos normalmente no lo son. El área grande e industrialmente importante de catálisis depende de la capacidad de los metales para modificar la reactividad de los ligandos orgánicos. La catálisis homogénea ocurre en la solución y la catálisis heterogénea ocurre cuando los sustratos gaseosos o disueltos interactúan con las superficies de los sólidos. La catálisis tradicionalmente homogénea se considera parte de la química organometálica y la catálisis heterogénea se discute en el contexto de la ciencia de la superficie, un subcampo de la química del estado sólido. Pero los principios químicos inorgánicos básicos son los mismos. Los metales de transición, casi de manera única, reaccionan con moléculas pequeñas como CO, H 2 , O 2 y C 2 H 4. La importancia industrial de estas materias primas impulsa el área activa de la catálisis. Los ligandos también pueden experimentar reacciones de transferencia de ligandos tales como transmetalación.
Caracterización de compuestos inorgánicos
Debido a la diversa gama de elementos y las propiedades correspondientes diversas de los derivados resultantes, la química inorgánica está estrechamente asociada con muchos métodos de análisis. Los métodos más antiguos tendían a examinar las propiedades a granel, como la conductividad eléctrica de las soluciones, los puntos de fusión, la solubilidad y la acidez. Con el advenimiento de la teoría cuántica y la correspondiente expansión de los aparatos electrónicos, se han introducido nuevas herramientas para probar las propiedades electrónicas de las moléculas y sólidos inorgánicos. A menudo, estas mediciones proporcionan información relevante para los modelos teóricos. Por ejemplo, las mediciones en el espectro de metano del fotoelectrón demostraron que la descripción del enlace por el dos-centro, los enlaces de dos electrones predichos entre el carbono y el hidrógeno usando Valence Bond Theory no son apropiados para describir los procesos de ionización de una manera simple. Tales ideas condujeron a la popularización de la teoría de orbitales moleculares ya que los orbitales completamente deslocalizados son una descripción simple más apropiada de eliminación de electrones y excitación de electrones.
Las técnicas comúnmente encontradas son:
- Cristalografía de rayos X: esta técnica permite la determinación 3D de estructuras moleculares.
- Interferómetro de polarización dual: esta técnica mide la conformación y el cambio conformacional de las moléculas.
- Varias formas de espectroscopía
- Espectroscopia ultravioleta-visible: Históricamente, esta ha sido una herramienta importante, ya que muchos compuestos inorgánicos son fuertemente coloreados
- Espectroscopía de RMN: además de H y C, muchos otros núcleos de RMN "buenos" (p. Ej., B, F, P y Pt) proporcionan información importante sobre las propiedades y la estructura del compuesto. Además, la RMN de especies paramagnéticas puede dar como resultado información estructural importante. La RMN de protones también es importante porque el núcleo de hidrógeno ligero no se detecta fácilmente mediante cristalografía de rayos X.
- Espectroscopía infrarroja: principalmente para absorciones de ligandos de carbonilo
- Espectroscopia de resonancia nuclear electrónica (ENDOR)
- Espectroscopía Mössbauer
- Resonancia de espín electrónico: ESR (o EPR) permite la medición del entorno de los centros metálicos paramagnéticos.
- Electroquímica: la voltametría cíclica y las técnicas relacionadas investigan las características redox de los compuestos.
Química inorgánica sintética
Aunque algunas especies inorgánicas se pueden obtener en forma pura de la naturaleza, la mayoría se sintetizan en plantas químicas y en el laboratorio.
Los métodos de síntesis inorgánica se pueden clasificar aproximadamente de acuerdo con la volatilidad o solubilidad de los reactivos componentes. Los compuestos inorgánicos solubles se preparan usando métodos de síntesis orgánica. Para los compuestos que contienen metales que son reactivos al aire, se siguen las técnicas de la línea Schlenk y la caja de guantes. Los compuestos y gases volátiles se manipulan en "colectores de vacío" que consisten en tubos de vidrio interconectados a través de válvulas, la totalidad de los cuales se puede evacuar a 0.001 mm Hg o menos. Los compuestos se condensan usando nitrógeno líquido (p.eb. 78 K) u otros criógenos. Los sólidos se preparan típicamente usando hornos tubulares, los reactivos y productos se sellan en recipientes, a menudo hechos de sílice fundida (amorfo SiO 2) pero a veces materiales más especializados como los tubos Ta soldados o los "barcos" Pt. Los productos y los reactivos se transportan entre zonas de temperatura para generar reacciones.