آشنايي كلي با شيمي معدني

[nafise sadeghi]

شيمي معدني ، شاخه بزرگي از علم شيمي است که بطور کلي شامل بررسي ، تحليل و تفسير نظريه‌هاي خواص و واکنشهاي تمام عناصر و ترکيبات آنها بجز هيدروکربنها (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D9%87%DB%8C%D8%AF%D8%B1%D9%88%DA%A 9%D8%B1%D8%A8%D9%86%D9%87%D8%A7) و اغلب مشتقات آنهاست.
شيمي معدني (http://www.chemicalpark.com/forumdisplay.php?f=14) شاخه‌اي از دانش شيمي است که با کاني ها (مواد معدني) و خواص آنها سروکار دارد.
به عبارت ديگر مي‌توان چنين اظهار نظر کرد که شيمي معدني کليه موادي را که از جمله ترکيبات کربن نباشند، به استثناي اکسيدهاي کربن و دي‌سولفيد کربن دربرمي‌گيرد.


در شيمي معدني (http://www.chemicalpark.com/forumdisplay.php?f=14) در مورد گستره وسيعي از موضوعات از جمله: ساختمان اتمي، بلورنگاري(کريستالوگرافي)، انواع پيوندهاي شيميايي اعم از پيوندهاي کووالانسي، يوني، هيدروژني و ...، ترکيبات کوئورديناسيون و نظريه‌هاي مربوطه از جمله نظريه ميدان بلور و نظريه اوربيتال مولکولي، واکنشهاي اسيد و باز، سراميکها، تقارن مولکولي و انواع بخش‌هاي زيرطبقه الکتروشيمي (برقکافت، باطري، خوردگي، نيمه رسانايي و غيره) بحث مي‌شود.
در باب اهميت شيمي معدني (http://www.chemicalpark.com/forumdisplay.php?f=14)، ساندرسن چنين نوشته است:



در واقع بيشترين مباحث علم شيمي را دانش اتمها تشکيل مي‌دهد و کليه خواص مواد و ترکيبات، به ناچار ناشي از نوع اتمها و روشي است که با توجه به آن، اتمها به يکديگر مي‌پيوندند و مجموعه تشکيل مي‌دهند و از طرف ديگر کليه تغييرات شيميايي متضمن بازيابي اتمهاست. در اين حال شيمي معدني (http://www.chemicalpark.com/forumdisplay.php?f=14) تنها بخشي از علم شيمي است که با توجه به آن مي‌توان به صورتي ويژه، در باب مغايرتهاي موجود در ميان کليه انواع اتمها بررسي نمود.


طبقه بندي مواد معدني

در يک مفهوم گسترده، مواد معدني را مي‌توان در چهار طبقه تقسيم بندي نمود: عناصر، ترکيبات يوني، ترکيبات مولکولي و جامدات شبکه‌اي يا بسپارها.
عناصر: عناصر داراي ساختارها و خواص بسيار متفاوت هستند. بنابراين مي‌توانند به يکي از صورتهاي زير باشند:

گازهاي اتمي (Kr , Ar) و يا گازهاي مولکولي (O2 , H2)

جامدات مولکولي (C6 , S8 , P4)

مولکولها و يا جامدات شبکه‌اي گسترش يافته (الماس، گرافيت)

فلزات جامد (Co , W) و يا مايع (Hg , Ca)

ترکيبات يوني: اين ترکيبات در دما و فشار استاندارد همواره جامدند و عبارت‌اند از:

ترکيبات يوني ساده، مانند NaCl که در آب يا ديگر حلالهاي قطبي محلول‌اند.

اکسيدهاي يوني که در آب غير محلول‌اند و اکسيدهاي مختلط همچون اسپنيل (MgAl2O4)، سيليکاتهاي مختلف مانند CaMg(SiO3)2 و ...

ديگر هاليدهاي دوتايي، کاربيدها، سولفيدها و مواد مشابه. چند مثال عبارتست از: BN , GaAs , SiC , AgCl.

ترکيباتي که داراي يونهاي چند اتمي (به اصطلاح کمپلکس) هستند.

ترکيبات مولکولي: اين ترکيبات ممکن است جامد، مايع و يا گاز باشند و مثالهاي زير را دربر مي‌گيرند:

ترکيبا دوتايي ساده همچون UF6 , OsO4 , SO2 , PF3

ترکيبات پيچيده فلزدار همچون RuH(CO2Me)(PPh3)3 , PtCl2(PMe3)2

ترکيبات آلي فلزي که مشخصا پيوندهاي فلز به کربن دارند، مانند Zr(Cn2C6H5)4 , Ni(CO)4

جامدات شبکه‌اي يا بسپارها: نمونه‌هاي اين مواد شامل بسپارهاي متعدد و متنوع معدني و ابررساناها است. فرمول نمونه‌اي از ترکيبات اخير YBa2Cu3O7 است.

ساختارهاي مواد معدني

ساختار بسياري از مواد آلي از چهار وجهي مشتق مي‌شود. فراواني آنها به اين دليل است که در مواد آلي ساده، بيشترين ظرفيت کربن و همچون بيشتر عناصر ديگري (به استثناي هيدروژن) که معمولاً به کربن پيوند مي‌شوند، چهار است. اما اجسام معدني وضعيت ساختاري بسيار پيچيده‌اي دارند، زيرا اتمها ممکن است خيلي بيشتر از چهار پيوند تشکيل دهند. بنابراين، در مواد معدني اينکه اتمها پنج، شش، هفت، هشت و تعداد بيشتري پيوند تشکيل دهند، امري عادي است. پس تنوع شکل هندسي در مواد معدني خيلي بيشتر از مواد آلي است.
ساختار مواد معدني اغلب بر اساس تعدادي از وجيهاي با نظم کمتر، نظير دو هرمي با قاعده مثلث، منشور سه ضلعي و غيره و همچنين بر اساس شکلهاي باز چند وجيهاي منتظم يا غير منتظم که در آنها يک يا چند راس حذف شده است، نيز مشاهده مي‌شود.
ترکيبات کمپلکس به دسته‌اي از ترکيبات در شيمي معدني (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%B4%DB%8C%D9%85%DB%8C_%D9%85%D8%B9%D8%AF%D9%86% DB%8C) گفته مي‌شود که داراي يک فلز (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%81%D9%84%D8%B2) و يک ليگاند (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%84%DB%8C%DA%AF%D8%A7%D9%86%D8%AF) باشند. تعداد اتم‌هاي (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D8%AA%D9%85) فلز و ليگاند در اين ترکيبات متنوع است. اولين بار آلفرد ورنر (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%A2%D9%84%D9%81%D8%B1%D8%AF_%D9 %88%D8%B1%D9%86%D8%B1&action=edit&redlink=1) ساختمان اين ترکيبات را پيشنهاد کرد. اهميت اين ترکيبات در شيمي (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%B4%DB%8C%D9%85%DB%8C) به قدري است که در همه مباحث شيمي از جمله در مبحث سنتز (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%B3%D9%86%D8%AA%D8%B2&action=edit&redlink=1) ترکيبات آلي (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AA%D8%B1%DA%A9%DB%8C%D8%A8%D8%A7%D8%AA_%D8%A2% D9%84%DB%8C) نيز وارد شده‌اند. بررسي انرژي (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%86%D8%B1%DA%98%DB%8C) تشکيل پيوندها (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D9%BE%DB%8C%D9%88%D9%86%D8%AF&action=edit&redlink=1) در اين ترکيبات از مباحث شيمي فيزيک (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%B4%DB%8C%D9%85%DB%8C_%D9%81%DB%8C%D8%B2%DB%8C% DA%A9) است. ساختمان الکتروني (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%B3%D8%A7%D8%AE%D8%AA%D9%85%D8% A7%D9%86_%D8%A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%D9%88%D9%8 6%DB%8C&action=edit&redlink=1) اين ترکيبات بستگي به نوع فلزها و آنيون‌هاي تشکيل دهنده آنها دارد و مي‌توان با بررسي ساختار التروني اتم‌ها آن را تعيين کرد



انواع واکنشهاي مواد معدني

در بيشتر واکنشهاي آلي مي‌توانيم در مورد مکانيسمي که واکنش از طريق آن انجام مي‌شود، بحث و بررسي کنيم، در صورتي که براي بسياري از واکنشهاي معدني فهم دقيق مکانيسم غير ممکن يا غير ضروري است.

رابطه شيمي فيزيک (http://www.chemicalpark.com/forumdisplay.php?f=15) و شيمي معدني (http://www.chemicalpark.com/forumdisplay.php?f=15)

در توجيه موجوديت مواد معدني و در توصيف رفتار آنها، به استفاده از جنبه‌هاي خاصي از شيمي فيزيک (http://www.chemicalpark.com/forumdisplay.php?f=15)، بخصوص ترموديناميک، ساختارهاي الکتروني اتمها، نظريه‌هاي تشکيل پيوند در مولکولها، سينتيک واکنش و خواص فيزيکي مواد نياز داريم. بنابراين با استفاده از شيمي فيزيک (http://www.chemicalpark.com/forumdisplay.php?f=15) مي‌توان به ساختار اتمي و مولکولي، تشکيل پيوند شيميايي و ديگر اصول لازم براي درک ساختار و خواص مواد معدني

[moji5]

شیمی معدنی ، شاخه بزرگی از علم شیمی است که بطور کلی شامل بررسی ، تحلیل و تفسیر نظریه‌های خواص و واکنشهای تمام عناصر و ترکیبات آنها بجز هیدروکربنها و اغلب مشتقات آنهاست.
به عبارت دیگر می‌توان چنین اظهار نظر کرد که شیمی معدنی کلیه موادی را که از جمله ترکیبات کربن نباشند، به استثنای اکسیدهای کربن و دی‌سولفید کربن دربرمی‌گیرد.

نگاه کلی
در شیمی معدنی در مورد گستره وسیعی از موضوعات از جمله : ساختمان اتمی ، کریستالوگرافی ، انواع پیوندهای شیمیایی اعم از پیوندهای کووالانسی ، یونی ، هیدروژنی و ... ، ترکیبات کوئوردیناسیون و نظریه‌های مربوطه از جمله نظریه میدان بلور و نظریه اوربیتال مولکولی ، واکنشهای اسید و باز ، سرامیکها ، تقارن مولکولی و انواع بخشهای زیرطبقه الکتروشیمی ( الکترولیز ، باطری ، خوردگی ، نیمه رسانایی و غیره ) بحث می‌شود.

در باب اهمیت شیمی معدنی ، "ساندرسن" چنین نوشته است:
« در واقع بیشترین مباحث علم شیمی را دانش اتمها تشکیل می‌دهد و کلیه خواص مواد و ترکیبات ، به‌ناچار ناشی از نوع اتمها و روشی است که با توجه به آن ، اتمها به یکدیگر می‌پیوندند و مجموعه تشکیل می‌دهند و از طرف دیگر کلیه تغییرات شیمیایی متضمن بازآرایی مجدد اتمهاست. در این حال ، شیمی معدنی تنها بخشی از علم شیمی است که با توجه به آن می‌توان به صورتی ویژه ، در باب مغایرتهای موجود در میان کلیه انواع اتمها بررسی نمود. »

طبقه‌بندی مواد معدنی
در یک مفهوم گسترده ، مواد معدنی را می‌توان در چهار طبقه تقسیم بندی نمود: عناصر ، ترکیبات یونی ، ترکیبات مولکولی و جامدات شبکه‌ای یا بسپارها.

عناصر :
عناصر دارای ساختارها و خواص بسیار متفاوت هستند، بنابراین می‌توانند به یکی از صورتهای زیر باشند:


گازهای اتمی (Kr , Ar) و یا گازهای مولکولی ()
جامدات مولکولی ()
مولکولها و یا جامدات شبکه‌ای گسترش یافته ( الماس ، گرافیت )
فلزات جامد (Co , W) و یا مایع (Hg , Ca)


ترکیبات یونی : این ترکیبات در دما و فشار استاندارد همواره جامدند و عبارتند از:


ترکیبات یونی ساده ، مانند NaCl که در آب یا دیگر حلالهای قطبی محلول‌اند.
اکسیدهای یونی که در آب غیر محلول‌اند، مانند () و اکسیدهای مختلط همچون اسپنیل () ، سیلیکاتهای مختلف مانند و ...
دیگر هالیدهای دوتایی ، کاربیدها ، سولفیدها و مواد مشابه. چند مثال عبارتست از: BN , GaAs , SiC , AgCl.
ترکیباتی که دارای یونهای چند اتمی ( به‌اصطلاح کمپلکس ) می‌باشند، همچون .

ترکیبات مولکولی :
این ترکیبات ممکن است جامد ، مایع و یا گاز باشند و مثالهای زیر را دربر می‌گیرند:


ترکیبات دوتایی ساده همچون .
ترکیبات پیچیده فلزدار همچون .
ترکیبات آلی فلزی که مشخصا پیوندهای فلز به کربن دارند، مانند .

جامدات شبکه‌ای یا بسپارها :
نمونه‌های این مواد شامل بسپارهای متعدد و متنوع معدنی و ابررساناها می‌باشد. فرمول نمونه‌ای از ترکیبات اخیر است.


http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/show_image.php?id=19987
ساختمان XeF6 ، یک ماده معدنی


ساختارهای مواد معدنی
ساختار بسیاری از مواد آلی از چهار وجهی مشتق می‌شود. فراوانی آنها به این دلیل است که در مواد آلی ساده ، بیشترین ظرفیت کربن و همچون بیشتر عناصر دیگری (به استثنای هیدروژن) که معمولا به کربن پیوند می‌شوند، چهار است. اما اجسام معدنی وضعیت ساختاری بسیار پیچیده‌ای دارند، زیرا اتمها ممکن است خیلی بیشتر از چهار پیوند تشکیل دهند. بنابراین ، در مواد معدنی ، اینکه اتمها پنج ، شش ، هفت ، هشت و تعداد بیشتری پیوند تشکیل دهند، امری عادی است. پس تنوع شکل هندسی در مواد معدنی خیلی بیشتر از مواد آلی است.

ساختار مواد معدنی اغلب بر اساس تعدادی از چند وجهی‌های با نظم کمتر ، نظیر دو هرمی با قاعده مثلث ، منشور سه ضلعی و غیره و همچنین بر اساس شکلهای باز چند وجهی‌های منتظم یا غیر منتظم که در آنها یک یا چند راس حذف شده است، نیز مشاهده می‌شود.

انواع واکنشهای مواد معدنی
در بیشتر واکنشهای آلی می‌توانیم در مورد مکانیسمی که واکنش از طریق آن انجام می‌شود، بحث و بررسی کنیم، در صورتی که برای بسیاری از واکنشهای معدنی فهم دقیق مکانیسم غیر ممکن یا غیر ضروری است. این امر دو دلیل عمده دارد:


اولا ، برخلاف بیشتر مواد آلی ، پیوندها در ترکیبات معدنی غالبا تغییر ناپذیرند. در نتیجه رویدادهای متعدد شکسته شدن پیوند و تشکیل پیوند در واکنشهای معدنی در جریان است. در چنین شرایطی واکنش ، توانایی تولید محصولات گوناگونی را بدست می‌آورد.
افزون بر این ، اغلب واکنشهای معدنی در شرایطی ویژه همچون به‌هم زدن شدید یک مخلوط ناهمگن در دما و فشار بالا انجام می‌گیرد که تعیین مکانیسم را غیر ممکن یا حداقل غیر عملی می‌سازد.

به این دو دلیل ، اغلب بهتر است که واکنشهای معدنی را فقط بر اساس نتیجه کلی واکنش توصیف کنیم. این رهیافت به نام شیمی معدنی توصیفی معروف است. بنابراین به سهولت مشخص می‌شود که گرچه هر واکنش را می‌توان بر اساس ماهیت و هویت محصولات واکنش در رابطه با ماهیت و هویت مواد واکنش دهنده توصیف کرد، اما نمی‌توان به هر واکنش مکانیسم معینی را نسبت داد. از نظر شیمی معدنی توصیفی ، اکثر واکنشها را می‌توان به یک یا چند طبقه از طبقه‌های زیر نسبت داد:


واکنشهای اسید و باز (خنثی شدن) ، افزایشی _ حذفی ، اکسایش _ کاهش (ردوکس) ، استخلاف ، نوآرایی ، تبادلی ، حلال کافت ، کی‌لیت شدن ، حلقه‌ای شدن و تراکمی و واکنشهای هسته‌ای.

برای درک عمیق‌تر یک واکنش معدنی لازم است تصویر کاملی از واکنش ، از مواد واکنش دهنده گرفته تا حد واسطها یا حالتهای گذرا تا رسیدن به محصولات تهیه کنیم. این امر به دانش کاملی از سینتیک و یا ترمودینامیک واکنش ، همچنین اطلاع از تاثیر ساختار و پیوند بر واکنش پذیری نیاز دارد.

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/show_image.php?id=19985

رابطه شیمی آلی و شیمی معدنی
شیمی آلی و معدنی در مواردی در مباحث یکدیگر وارد می‌شوند. به‌عنوان مثال می‌توان به ترکیبات آلی فلزی ، واکنشهای اسید و باز ، شیمی سیلسیم و ترکیبات کربن (وقتی که با اتمهای هیدروژن ، نیتروژن ، اکسیژن ، گوگرد ، هالوژنها و چند عنصر دیگر نظیر سیلسیم و آرسنیک متصل است) اشاره کرد.
پس شیمی معدنی نه‌تنها با مواد مولکولی مشابه موادی که در شیمی آلی بررسی می‌شوند، سروکار دارد، بلکه توجه خود را به انواع وسیعتری از مواد که شامل گازهای اتمی ، جامدات غیر مولکولی که به‌صورت آرایه‌های گسترش یافته‌ای هستند، ترکیبات حساس در مقابل هوا و رطوبت ، ترکیبات محلول در آب و سایر حلالهای قطبی و همچنین مواد محلول در حلالهای غیر قطبی معطوف می‌کند.
بنابراین شیمیدان معدنی با مسئله تعیین ساختار ، خواص و واکنش پذیری گستره فوق‌العاده وسیعی از مواد که دارای خواص بسیار متفاوت و الگوهای فوق‌العاده پیچیده ساختاری و واکنش پذیری‌اند، مواجه است.

رابطه شیمی فیزیک و شیمی معدنی
در توجیه موجودیت مواد معدنی و در توصیف رفتار آنها ، به استفاده از جنبه‌های خاصی از شیمی فیزیک ، بخصوص ترمودینامیک ، ساختارهای الکترونی اتمها ، نظریه‌های تشکیل پیوند در مولکولها ، سینتیک واکنش و خواص فیزیکی مواد نیاز داریم. بنابراین با استفاده از شیمی فیزیک می‌توان به ساختار اتمی و مولکولی ، تشکیل پیوند شیمیایی و دیگر اصول لازم برای درک ساختار و خواص مواد معدنی پرداخت.