La química inorgánica se ocupa de la síntesis y el comportamiento de compuestos inorgánicos y organometálicos . Este campo abarca los compuestos químicos que no están basados en carbono, que son materia de química orgánica . La distinción entre las dos disciplinas está lejos de ser absoluta, ya que existe 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 tensioactivos , los recubrimientos , los medicamentos , los combustibles y la agricultura . [1]
Los compuestos inorgánicos se encuentran en la naturaleza como minerales . [2] El suelo puede contener sulfuro de hierro como pirita o sulfato de calcio como yeso . [3] [4] Los compuestos inorgánicos también se encuentran realizando múltiples tareas como biomoléculas : como electrolitos ( cloruro de sodio ), en almacenamiento de energía ( ATP ) o en la construcción (la columna vertebral de polifosfato en el ADN ).
Los compuestos inorgánicos exhiben una variedad de propiedades de enlace. Algunos son compuestos iónicos , formados por cationes y aniones muy simples unidos mediante enlaces iónicos . Ejemplos de sales (que son compuestos iónicos) son el cloruro de magnesio MgCl 2 , que consta de cationes de magnesio Mg 2+ y aniones cloruro Cl − ; o hidróxido de sodio NaOH, que consta de cationes de sodio Na + y aniones de hidróxido OH − . Algunos compuestos inorgánicos son altamente covalentes, como el dióxido de azufre y el pentacarbonilo de hierro . Muchos compuestos inorgánicos presentan enlaces covalentes polares , que es una forma de enlace intermedio entre los enlaces covalentes e iónicos. Esta descripción se aplica a muchos óxidos , carbonatos y haluros . Muchos compuestos inorgánicos se caracterizan por tener altos puntos de fusión . Algunas sales (p. ej., NaCl ) son muy solubles en agua.
Cuando un reactivo contiene átomos de hidrógeno, puede tener lugar una reacción mediante el intercambio de protones en la química ácido-base . En una definición más general, cualquier especie química capaz de unirse a pares de electrones se denomina ácido de Lewis ; por el contrario, cualquier molécula que tienda a donar un par de electrones se denomina base de Lewis . [5] Como refinamiento de las interacciones ácido-base, la teoría HSAB tiene en cuenta la polarizabilidad y el tamaño de los iones.
Las subdivisiones de la química inorgánica son numerosas, pero incluyen:
La química inorgánica es un área de la ciencia muy práctica. Tradicionalmente, la escala de la economía de una nación podía evaluarse por su productividad de ácido sulfúrico .
Un importante compuesto inorgánico creado por el hombre es el nitrato de amonio , utilizado para la fertilización. El amoníaco se produce mediante el proceso Haber . [6] [7] [8] El ácido nítrico se prepara a partir del amoníaco mediante oxidación. Otro material inorgánico de gran tamaño es el cemento portland . Los compuestos inorgánicos se utilizan como catalizadores , como el óxido de vanadio (V) para la oxidación del dióxido de azufre y el cloruro de titanio (III) para la polimerización de alquenos . Muchos compuestos inorgánicos se utilizan como reactivos en química orgánica , como el hidruro de litio y aluminio . [ cita necesaria ]
La química inorgánica descriptiva se centra en la clasificación de 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 los compuestos por sus similitudes estructurales.
Los compuestos de coordinación clásicos presentan metales unidos a " pares solitarios " de electrones que residen en los átomos del grupo principal de ligandos como H 2 O, NH 3 , Cl − y CN − . En los compuestos de coordinación modernos, casi todos los compuestos orgánicos e inorgánicos pueden usarse como ligandos. El "metal" suele ser un metal de los grupos 3 a 13, así como los translantánidos y transactínidos , pero desde cierta perspectiva , todos los compuestos químicos pueden describirse 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 ] 6+ , una demostración temprana de que la quiralidad no es inherente a los compuestos orgánicos. . Un tema de actualidad dentro de esta especialización es la química de coordinación supramolecular. [9]
Los compuestos de coordinación muestran una rica diversidad de estructuras, que varían desde tetraédricas para el titanio (por ejemplo, TiCl 4 ) hasta cuadradas planas para algunos complejos de níquel y octaédricas para los complejos de coordinación de cobalto. Se puede encontrar una variedad de metales de transición en compuestos biológicamente importantes, como el hierro en la hemoglobina.
Estas especies presentan elementos de los grupos I, II, III, IV, V,VI, VII, 0 (excluyendo el hidrógeno) de la tabla periódica. Debido a su reactividad a menudo similar, los elementos del grupo 3 ( Sc , Y y La ) y del grupo 12 ( Zn , Cd y Hg ) también se incluyen generalmente, y en ocasiones también se incluyen los lantánidos y actínidos . [10]
Los compuestos del grupo principal se conocen desde los inicios 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 sólo identificaron un importante gas diatómico , sino que abrieron el camino para describir compuestos y reacciones según relaciones estequiométricas . El descubrimiento de una síntesis práctica de amoníaco utilizando catalizadores de hierro por Carl Bosch y Fritz Haber a principios del siglo XX impactó profundamente a la humanidad, demostrando la importancia de la síntesis química inorgánica. Los compuestos típicos del grupo principal son SiO 2 , SnCl 4 y N 2 O. Muchos compuestos del grupo principal también pueden clasificarse como "organometálicos", ya que contienen grupos orgánicos, por ejemplo, B( CH3 ) 3 ) . Los compuestos del grupo principal también se encuentran 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 de (muchos) ligandos de hidrógeno pueden clasificarse como "inorgánicos", como los fullerenos, los buckytubos y los óxidos de carbono binarios.
Los compuestos de gases nobles incluyen varios derivados del xenón y el criptón .
Por lo general, se considera que los compuestos organometálicos contienen el grupo MCH. [11] El metal (M) en estas especies puede ser un elemento del grupo principal o un metal de transición. Operacionalmente, la definición de un compuesto organometálico es más relajada para incluir también complejos altamente lipófilos como los carbonilos metálicos e incluso los alcóxidos metálicos .
Los compuestos organometálicos se consideran principalmente una categoría especial porque los ligandos orgánicos suelen ser sensibles a la hidrólisis o la oxidación, lo que requiere que la química organometálica emplee métodos preparativos más especializados que los tradicionales en los complejos de tipo Werner. La metodología sintética, especialmente la capacidad de manipular complejos en disolventes de bajo poder de coordinación, permitió la exploración de ligandos de coordinación muy débil, como los 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.
Los grupos se pueden encontrar en todas las clases de compuestos químicos . Según la definición comúnmente aceptada, un grupo consiste mínimamente en un conjunto triangular de átomos que están directamente unidos entre sí. Pero los complejos dimetálicos unidos entre metales son muy relevantes para el área. Los grupos se producen en sistemas inorgánicos "puros", química organometálica, química de grupos principales y química bioinorgánica. La distinción entre cúmulos muy grandes y sólidos a granel es cada vez más borrosa. Esta interfaz es la base química de la nanociencia o nanotecnología y surge específicamente del estudio de los efectos del tamaño cuántico en grupos de seleniuro de cadmio . Por tanto, los grupos grandes pueden describirse como una serie de átomos unidos de carácter intermedio entre una molécula y un sólido.
Por definición, estos compuestos se encuentran en la naturaleza, pero el subcampo incluye especies antropogénicas, como contaminantes (p. ej., metilmercurio ) y fármacos (p. ej., cisplatino ). [12] 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 al agua (p. ej., coordinado con los complejos de gadolinio empleados para la resonancia magnética ). 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 esenciales y no esenciales con aplicaciones al diagnóstico y terapias.
Esta importante área se centra en la estructura , [13] unión y las propiedades físicas de los materiales. En la práctica, la química inorgánica del estado sólido utiliza técnicas como la cristalografía para comprender las propiedades que resultan de las interacciones colectivas entre las subunidades del sólido. En la química del estado sólido se incluyen los metales y sus aleaciones o derivados intermetálicos. Los campos relacionados son la física de la materia condensada , la mineralogía y la ciencia de los materiales .
A diferencia de la mayoría de los compuestos orgánicos , muchos compuestos inorgánicos son magnéticos y/o coloreados. Estas propiedades proporcionan información sobre la unión y la estructura. El magnetismo de los compuestos inorgánicos puede ser complejo. Por ejemplo, la mayoría de los compuestos de cobre (II) son paramagnéticos, pero el Cu II 2 (OAc) 4 (H 2 O) 2 es casi diamagnético por debajo de la temperatura ambiente. La explicación se debe al acoplamiento magnético entre pares de sitios Cu(II) en el acetato.
La química inorgánica se ha beneficiado enormemente de las teorías cualitativas. Estas teorías son más fáciles de aprender porque requieren poca experiencia en teoría cuántica. Dentro de los compuestos del grupo principal, la teoría VSEPR predice poderosamente, o al menos racionaliza, las estructuras de los compuestos del grupo principal, como una explicación de por qué el NH 3 es piramidal mientras que el ClF 3 tiene forma de T. Para los metales de transición, la teoría del campo cristalino permite comprender el magnetismo de muchos complejos simples, como por qué [Fe III (CN) 6 ] 3− tiene solo un electrón desapareado, mientras que [Fe III (H 2 O) 6 ] 3 + tiene cinco. Un enfoque cualitativo particularmente poderoso para evaluar la estructura y la reactividad comienza con la clasificación de las moléculas según el recuento de electrones , centrándose en el número de electrones de valencia , generalmente en el átomo central de una molécula. [ cita necesaria ]
Una construcción en química es la simetría molecular , tal como se materializa en la teoría de grupos . Los compuestos inorgánicos presentan una simetría particularmente diversa, por lo que es lógico que la Teoría de Grupos esté íntimamente asociada con la química inorgánica. [14] Teoría de grupos] proporciona el lenguaje para describir las formas de las moléculas según su simetría de grupo de puntos . La teoría de grupos también permite la factorización y la simplificación de 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 fundamental y excitado permite predecir los números e 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 de carbonilo metálico sustituido. Las aplicaciones más comunes de la simetría a la espectroscopia involucran espectros vibracionales y electrónicos.
La teoría de grupos destaca los puntos en común y las diferencias en los vínculos de especies que de otro modo serían dispares. Por ejemplo, los orbitales metálicos se transforman de manera idéntica para WF 6 y W(CO) 6 , pero las energías y poblaciones de estos orbitales difieren significativamente. Existe una relación similar entre el CO 2 y el difluoruro de berilio molecular .
Un enfoque cuantitativo alternativo a la química inorgánica se centra en las energías de las reacciones. Este enfoque es muy tradicional y empírico , pero también es útil. Los conceptos amplios que se expresan en términos termodinámicos incluyen potencial redox , acidez y cambios de fase . Un concepto clásico en termodinámica inorgánica es el ciclo de Born-Haber , que se utiliza para evaluar las energías de procesos elementales como la afinidad electrónica , algunos de los cuales no pueden observarse directamente.
Un aspecto importante de la química inorgánica se centra en las vías de reacción, es decir, los mecanismos de reacción .
Los mecanismos de los compuestos del grupo principal de los grupos 13-18 generalmente se analizan 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 suelen formar compuestos con más electrones de los predichos por la regla del octeto , como se explica en el artículo sobre moléculas hipervalentes . Por este motivo, los mecanismos de sus reacciones difieren de los de los compuestos orgánicos. Los elementos más ligeros que el carbono ( B , Be , Li ), así como el Al y el Mg , suelen formar estructuras deficientes en electrones que son electrónicamente similares a los carbocationes . Estas especies con deficiencia de electrones tienden a reaccionar mediante vías asociativas. La química de los lantánidos refleja muchos aspectos de la química observada en el aluminio.
Los metales de transición y los compuestos del grupo principal a menudo reaccionan de manera diferente. [15] El importante papel de los orbitales d en la unión influye fuertemente en las vías y tasas de sustitución y disociación de ligandos. Estos temas se tratan en artículos sobre química de coordinación y ligandos . Se observan vías tanto asociativas como disociativas.
Un aspecto general de la química mecanicista de los metales de transición es la labilidad cinética del complejo ilustrada por el intercambio de agua libre y unida en los complejos prototípicos [M(H 2 O) 6 ] n+ :
Las tasas de intercambio de agua varían en 20 órdenes de magnitud a lo largo de la tabla periódica, con los complejos de lantánidos en un extremo y las especies de Ir (III) siendo las más lentas.
En los elementos de transición predominan las reacciones redox. Se consideran dos clases de reacciones redox: reacciones de transferencia de átomos, como la adición oxidativa/eliminación reductora, y la transferencia de electrones . Una reacción redox fundamental es el "autointercambio", que implica la reacción degenerada entre un oxidante y un reductor. Por ejemplo, el permanganato y su manganato relativo reducido de un electrón intercambian un electrón:
Los ligandos coordinados muestran una reactividad distinta de la de los ligandos libres. Por ejemplo, la acidez de los ligandos de amoníaco en [Co(NH 3 ) 6 ] 3+ es elevada en relación con el propio NH 3 . Los alquenos unidos a cationes metálicos reaccionan con los nucleófilos, mientras que los alquenos normalmente no lo son. El área grande e industrialmente importante de la catálisis depende de la capacidad de los metales para modificar la reactividad de los ligandos orgánicos. La catálisis homogénea ocurre en solución y la catálisis heterogénea ocurre cuando sustratos gaseosos o disueltos interactúan con superficies de sólidos. Tradicionalmente, la catálisis homogénea se considera parte de la química organometálica y la catálisis heterogénea se analiza en el contexto de la ciencia de superficies , un subcampo de la química del estado sólido. Pero los principios químicos inorgánicos básicos son los mismos. Los metales de transición, casi exclusivamente, 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 sufrir reacciones de transferencia de ligandos como la transmetalación .
Debido a la diversa gama de elementos y las correspondientes diversas propiedades de los derivados resultantes, la química inorgánica está estrechamente asociada con muchos métodos de análisis. Los métodos más antiguos tendían a examinar propiedades globales 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 investigar las propiedades electrónicas de moléculas y sólidos inorgánicos. A menudo, estas mediciones proporcionan información relevante para los modelos teóricos. Las técnicas más comunes son:
Aunque algunas especies inorgánicas pueden obtenerse 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 según la volatilidad o solubilidad de los reactivos componentes. [16] Los compuestos inorgánicos solubles se preparan utilizando métodos de síntesis orgánica . Para compuestos que contienen metales que reaccionan con el aire, se siguen las técnicas de línea Schlenk y caja de guantes . Los compuestos volátiles y los gases se manipulan en "colectores de vacío" que consisten en tuberías de vidrio interconectadas a través de válvulas, cuya totalidad puede evacuarse a 0,001 mm Hg o menos. Los compuestos se condensan usando nitrógeno líquido (pb 78 K) u otros criógenos . Los sólidos se preparan normalmente utilizando hornos tubulares, y los reactivos y productos se sellan en recipientes, a menudo hechos de sílice fundida (SiO 2 amorfo ), pero a veces de materiales más especializados, como tubos de Ta soldados o "barcos" de Pt. Los productos y reactivos se transportan entre zonas de temperatura para impulsar reacciones.
