無機化學

**無機化學**（Inorganic chemistry）係化學一支，專研究無機化合物。無機化學，查實係相對有機化學而言。之所以分出無機化學，皆因有機化合物實在太多，碳氫衍生出來，無窮無盡。故此另立出來研究。無機化學同有機化學，亦唔係完全分得開，有啲化合物，係介乎兩者，如金屬有機化合物咁。

多數無機化合物，都為離子化合物，亦即陽離子同陰離子嘅化合物，靠離子鍵維繫。

## 出現狀況
好多無機化合物喺大自然度以礦物嘅形式搵到。泥土可能會包含硫化鐵，例如黃鐵礦，又或者硫酸鈣，例如石膏。無機化合物都有好多唔同嘅功能，好似生物分子噉：做電解質（氯化鈉）、能量儲存（ATP）或者結構材料（多聚磷酸鹽喺DNA入面嘅骨幹）。

## 鍵結
無機化合物展現出一系列唔同嘅鍵結特性。有啲係離子化合物，由好簡單嘅陽離子同陰離子透過離子鍵結合而成。鹽（即係離子化合物）嘅例子有氯化鎂 MgCl2，佢包含鎂陽離子 Mg2+ 同氯離子陰離子 Cl−；又或者氫氧化鈉 NaOH，佢包含鈉陽離子 Na+ 同氫氧根陰離子 OH−。有啲無機化合物嘅共價性好高，好似二氧化硫同五羰基鐵噉。好多無機化合物都有極性共價鍵，呢種鍵結形式喺共價鍵同離子鍵之間。呢個描述適用於好多氧化物、碳酸鹽同鹵化物。好多無機化合物嘅特點係熔點好高。有啲鹽（例如NaCl）好易溶喺水度。

當其中一個反應物包含氫原子嗰陣，可能會透過酸鹼化學入面嘅質子交換嚟發生反應。喺更廣義嘅定義入面，任何能夠同電子對結合嘅化學物質都叫做路易斯酸；相反，任何傾向捐電子對嘅分子就叫做路易斯鹼。作為酸鹼相互作用嘅細緻化，HSAB理論考慮到極化率同離子嘅大小。

## 無機化學嘅分支
無機化學嘅分支有好多，但係包括：

有機金屬化學，含有金屬-碳鍵嘅化合物。呢個領域涉及到有機合成，有機合成會用到好多有機金屬催化劑同試劑。

簇化學，含有幾個金屬透過金屬-金屬鍵或者橋接配體結合埋一齊嘅化合物。

生物無機化學，包含金屬嘅生物分子。呢個領域涉及到藥物化學。

材料化學同固態化學，展現出簡單分子睇唔到嘅特性嘅延伸（即係聚合物）固體。好多實際嘅主題都同呢啲領域有關，包括陶瓷。

### 工業無機化學
無機化學係一個非常實用嘅科學領域。傳統上，一個國家嘅經濟規模可以用佢哋硫酸嘅生產力嚟評估。

一種重要嘅人造無機化合物係硝酸銨，用嚟做肥料。氨係透過哈伯法生產嘅。硝酸係由氨透過氧化製備嘅。另一種大規模嘅無機材料係硅酸鹽水泥。無機化合物用嚟做催化劑，例如五氧化二釩用嚟氧化二氧化硫，三氯化鈦用嚟烯烴聚合。好多無機化合物都用嚟做試劑喺有機化學入面，例如氫化鋁鋰。

## 描述性無機化學
描述性無機化學專注於根據化合物嘅性質嚟分類。部分分類專注於化合物入面最重元素（原子量最高嘅元素）喺元素週期表入面嘅位置，部分就係根據佢哋嘅結構相似性嚟分組化合物。

### 配位化合物

經典嘅配位化合物嘅特點係金屬同孤對電子結合，啲電子對位於配體嘅主族原子上面，例如 H2O、NH3、Cl<sup>−</sup> 同 CN<sup>−</sup>。喺現代嘅配位化合物入面，幾乎所有有機同無機化合物都可以用嚟做配體。「金屬」通常係元素週期表第 3–13 族嘅金屬，以及 *反*-鑭系元素同 *反*-錒系元素，但係從某個角度睇，所有化合物都可以描述為配位錯合物。

配位錯合物嘅立體化學可以好豐富，正如維爾納分離[[Co((OH)<sub>2</sub>Co(NH<sub>3</sub>)<sub>4</sub>)<sub>3</sub>]<sup>6+</sup>](https://zh_yue.wikipedia.org/wiki/%E5%85%AD%E6%B0%A8%E5%90%88%E9%88%B7%28III%29%E9%B9%BD)嘅兩個對映異構體所暗示噉，呢個係早期證明手性唔係有機化合物固有嘅。呢個專業領域入面嘅一個熱門主題係超分子配位化學。

例子：[Co(EDTA)]−、[[Co(NH<sub>3</sub>)<sub>6</sub>]<sup>3+</sup>](https://zh_yue.wikipedia.org/wiki/%E5%85%AD%E6%B0%A8%E5%90%88%E9%88%B7%28III%29%E9%B9%BD)、[四氯化鈦|TiCl4]2。

配位化合物展現出豐富多樣嘅結構，從鈦嘅四面體（例如 TiCl4）到一啲鎳錯合物嘅平面正方形，再到鈷配位錯合物嘅八面體。喺生物學上重要嘅化合物入面可以搵到一系列過渡金屬，例如血紅蛋白入面嘅鐵。

例子：五羰基鐵、四氯化鈦、順鉑

### 主族化合物

呢啲物質嘅特點係元素週期表嘅第 I、II、III、IV、V、VI、VII、0 族（唔包括氫）嘅元素。由於佢哋通常相似嘅反應性，第 3 族（Sc、Y 同 La）同第 12 族（Zn、Cd 同 Hg）嘅元素通常都包括在內，鑭系元素同錒系元素有時都會包括埋。

主族化合物自化學嘅開端就已經為人所知，例如元素硫同可蒸餾嘅白色磷。拉瓦錫同普利斯特里對氧氣，O<sub>2</sub> 嘅實驗唔單止確定咗一種重要嘅雙原子氣體，仲為根據化學計量比率描述化合物同反應開闢咗道路。卡爾·博施同弗里茨·哈伯喺 1900 年代初期發現咗一種使用鐵催化劑實際合成氨嘅方法，對人類產生咗深刻嘅影響，證明咗無機化學合成嘅重要性。
典型嘅主族化合物有 SiO2、SnCl4 同 N2O。好多主族化合物都可以歸類為「有機金屬」，因為佢哋包含有機基團，例如 B(CH<sub>3</sub>)3)。主族化合物亦都會喺自然界入面出現，例如 DNA 入面嘅 磷酸鹽，因此可以歸類為生物無機化合物。相反，缺少（好多）氫配體嘅有機化合物可以歸類為「無機」，例如富勒烯、巴克管 同二元碳氧化物。

例子：四硫化四氮 S4N4、乙硼烷 B2H6、矽酮、巴克明斯特富勒烯 C60。

稀有氣體化合物包括幾種 氙 同 氪 嘅衍生物。

例子：六氟化氙 XeF6、三氧化氙 XeO3 同 二氟化氪 KrF2

### 有機金屬化合物

通常，有機金屬化合物被認為包含 M-C-H 基團。呢啲物質入面嘅金屬 (M) 可以係主族元素或者過渡金屬。實際上，有機金屬化合物嘅定義更加寬鬆，包括高度親脂性嘅錯合物，例如金屬羰基化合物甚至金屬醇鹽。

有機金屬化合物主要被認為係一個特殊嘅類別，因為有機配體通常對水解或者氧化敏感，因此有機金屬化學需要採用比傳統維爾納型錯合物更專業嘅製備方法。合成方法，特別係喺低配位能力溶劑入面操作錯合物嘅能力，使得探索非常弱配位嘅配體成為可能，例如碳氫化合物、H2 同 N2。由於配體喺某種意義上係石油化學產品，有機金屬化學領域從佢同工業嘅關聯性入面獲益良多。

例子：環戊二烯基鐵二羰基二聚物 (C5H5)Fe(CO)2CH3、二茂鐵 Fe(C5H5)2、六羰基鉬 Mo(CO)6、三乙基硼烷 Et3B、三(二亞苄基丙酮)二鈀(0) Pd2(dba)3)

### 簇合物

喺所有化合物類別入面都可以搵到簇。根據普遍接受嘅定義，簇至少由一組三角形嘅原子組成，啲原子直接相互鍵結。但係金屬-金屬鍵結嘅雙金屬錯合物同呢個領域高度相關。簇會喺「純」無機系統、有機金屬化學、主族化學同生物無機化學入面出現。大型簇同塊狀固體之間嘅區別日益模糊。呢個介面係納米科學或者納米技術嘅化學基礎，特別係源於對量子尺寸效應喺硒化鎘簇入面嘅研究。因此，大型簇可以描述為一組鍵結原子，佢嘅特性介於分子同固體之間。

例子：Fe<sub>3</sub>(CO)<sub>12</sub>、B<sub>10</sub>H<sub>14</sub>、[[Mo<sub>6</sub>Cl<sub>14</sub>]<sup>2−</sup>](https://zh_yue.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%AF%E5%8C%96%E9%89%AC%28II%29)、4Fe-4S

### 生物無機化合物

根據定義，呢啲化合物喺自然界入面出現，但係呢個子領域包括人為物種，例如污染物（例如甲基汞）同藥物（例如順鉑）。呢個領域包含生物化學嘅好多方面，包括好多種類嘅化合物，例如 DNA 入面嘅磷酸鹽，仲有包含配體嘅金屬錯合物，配體嘅範圍從生物大分子（通常係肽）到定義唔明確嘅物質（例如腐植酸）再到水（例如，配位到釓錯合物，用於磁力共振成像）。傳統上，生物無機化學專注於蛋白質入面同呼吸相關嘅電子同能量轉移。藥用無機化學包括研究非必需同必需元素喺診斷同治療方面嘅應用。

例子：血紅蛋白、甲基汞、羧肽酶

### 固態化合物

呢個重要嘅領域專注於材料嘅化學結構、鍵結同物理性質。實際上，固態無機化學會用到晶體學等技術，嚟了解固體亞單元之間集體相互作用產生嘅性質。固態化學包含金屬同佢哋嘅合金或者金屬間衍生物。相關領域有凝聚態物理學、礦物學同材料科學。

例子：矽晶片、沸石、YBa<sub>2</sub>Cu<sub>3</sub>O<sub>7</sub>

## 光譜學同磁性
同大多數有機化合物唔同，好多無機化合物都具有磁性同/或顏色。呢啲性質提供咗關於鍵結同結構嘅信息。無機化合物嘅磁性可能好複雜。例如，大多數銅(II)化合物都係順磁性嘅，但Cu<sup>II</sup><sub>2</sub>(OAc)<sub>4</sub>(H<sub>2</sub>O)<sub>2</sub>喺室溫以下幾乎係抗磁性嘅。解釋係由於乙酸鹽入面成對 Cu(II) 位點之間嘅磁耦合。

### 定性理論

無機化學從定性理論入面獲益良多。呢啲理論比較容易學，因為佢哋對量子理論嘅背景要求好少。喺主族化合物入面，價層電子對互斥理論有力噉預測，或者至少合理化咗主族化合物嘅化學結構，例如解釋咗點解NH<sub>3</sub>係錐形嘅，而ClF<sub>3</sub>係 T 形嘅。對於過渡金屬，晶體場理論可以幫助人哋理解好多簡單錯合物嘅磁性，例如點解[[Fe<sup>III</sup>(CN)<sub>6</sub>]<sup>3−</sup>](https://zh_yue.wikipedia.org/wiki/%E5%85%AD%E6%B0%B0%E5%90%88%E9%90%B5%28III%29%E9%85%B8%E9%89%80)只有一個未成對電子，而 [FeIII(H2O)6]3+ 有五個。評估結構同反應性嘅一種特別有效嘅定性方法係根據電子計數嚟分類分子，重點係價電子嘅數量，通常喺分子嘅中心原子度。

### 分子對稱性群論

化學入面嘅一個概念係分子對稱性，體現喺群論入面。無機化合物展現出特別多樣嘅對稱性，所以群論同無機化學密切相關係好合理嘅。群論提供咗一種語言嚟根據分子嘅點群對稱性嚟描述分子嘅形狀。群論仲可以簡化理論計算。

光譜特徵會根據振動或者電子態嘅對稱性性質嚟分析同描述，除咗其他之外。了解基態同激發態嘅對稱性性質可以幫助人哋預測振動光譜同電子光譜入面吸收嘅數量同強度。群論嘅一個經典應用係預測取代金屬羰基錯合物入面 C–O 振動嘅數量。對稱性喺光譜學入面最常見嘅應用涉及振動光譜同電子光譜。

群論突出咗其他方面唔同嘅物質嘅鍵結嘅共同點同差異。例如，對於WF<sub>6</sub> 同 W(CO)<sub>6</sub> 嚟講，基於金屬嘅軌域嘅轉換係相同嘅，但係呢啲軌域嘅能量同數量就差異好大。CO<sub>2</sub> 同分子 二氟化鈹 之間都存在類似嘅關係。

## 熱力學同無機化學
無機化學嘅另一種定量方法專注於反應嘅能量。呢種方法非常傳統同經驗，但係佢都好有用。用熱力學術語表達嘅廣泛概念包括氧化還原電位、酸度、相變。無機熱力學入面嘅一個經典概念係玻恩-哈伯循環，佢用嚟評估基本過程嘅能量，例如電子親和能，其中一啲係冇辦法直接觀察到嘅。

## 機械無機化學
無機化學嘅一個重要方面專注於反應途徑，即反應機制。

### 主族元素同鑭系元素
第 13–18 族主族化合物嘅機制通常喺有機化學嘅背景下討論（有機化合物畢竟都係主族化合物）。比 C、N、O 同 F 重嘅元素通常會形成電子多過 八隅體規則 預測嘅化合物，正如關於超價分子嘅文章入面解釋噉。佢哋反應嘅機制因此同有機化合物唔同。比 碳 輕嘅元素（B、Be、Li）以及 Al 同 Mg 通常會形成電子不足嘅結構，啲結構喺電子上類似於碳正離子。呢啲電子不足嘅物質傾向於透過締合途徑反應。鑭系元素嘅化學反映咗鋁嘅好多化學方面。

### 過渡金屬錯合物
過渡金屬同主族化合物嘅反應方式通常唔同。d 軌域喺鍵結入面嘅重要作用強烈噉影響咗配體取代同離解嘅途徑同速率。呢啲主題喺關於配位化學同配體嘅文章入面涵蓋。締合同解離途徑都有觀察到。

機械過渡金屬化學嘅一個總體方面係錯合物嘅動力學不穩定性，呢個由原型錯合物 [M(H2O)6]n+ 入面自由水同結合水嘅交換說明：
:[M(H2O)6]n+ + 6 H2O* → [M(H2O*)6]n+ + 6 H2O
:其中 H2O* 表示 同位素富集水，例如 H217O
水交換嘅速率喺元素週期表入面變化咗 20 個數量級，鑭系元素錯合物喺一個極端，而 Ir(III) 物質係最慢嘅。

#### 氧化還原反應
氧化還原反應喺過渡元素入面好普遍。考慮咗兩類氧化還原反應：原子轉移反應，例如氧化加成/還原消除，同電子轉移。一個基本嘅氧化還原反應係「自交換」，佢涉及氧化劑同還原劑之間嘅簡併反應。例如，高錳酸鹽同佢嘅單電子還原親屬錳酸鹽交換一個電子：
:[MnO4]− + [MnO4]2− → [MnO4]2− + [MnO4]−

#### 配體嘅反應
配位配體展現出同自由配體唔同嘅反應性。例如，[[Co(NH<sub>3</sub>)<sub>6</sub>]<sup>3+</sup>](https://zh_yue.wikipedia.org/wiki/%E5%85%AD%E6%B0%A8%E5%90%88%E9%88%B7%28III%29%E9%B9%BD)入面氨配體嘅酸性相對於 NH3 本身有所提高。結合到金屬陽離子嘅烯烴對親核試劑具有反應性，而烯烴通常唔係。催化嘅龐大且工業上重要嘅領域取決於金屬修改有機配體反應性嘅能力。均相催化發生喺溶液入面，多相催化發生喺氣體或者溶解嘅底物同固體表面相互作用嗰陣。傳統上，均相催化被認為係有機金屬化學嘅一部分，多相催化喺表面科學（固態化學嘅一個子領域）嘅背景下討論。但係基本嘅無機化學原理係相同嘅。過渡金屬，幾乎係唯一噉，會同細分子反應，例如 CO、H2、O2 同 C2H4。呢啲原料嘅工業重要性推動咗催化嘅活躍領域。配體仲可以進行配體轉移反應，例如金屬轉移反應。

## 無機化合物嘅表徵
由於元素範圍廣泛，以及由此產生嘅衍生物嘅性質多樣，無機化學同好多分析方法密切相關。較舊嘅方法傾向於檢查整體性質，例如溶液嘅導電性、熔點、溶解度同酸度。隨著量子理論嘅出現同電子設備嘅相應擴展，已經引入咗新工具嚟探測無機分子同固體嘅電子性質。通常，呢啲測量提供咗同理論模型相關嘅見解。常見嘅技術包括：

X射線晶體學：呢種技術可以 3D 噉確定分子結構。

各種形式嘅光譜學：
** 紫外-可見光譜學：歷史上，呢個一直係一個重要嘅工具，因為好多無機化合物都係強烈着色嘅
** 核磁共振波譜學：除咗 <sup>1</sup>H 同 <sup>13</sup>C 之外，好多其他 NMR 活性核（例如 <sup>11</sup>B、<sup>19</sup>F、<sup>31</sup>P 同 <sup>195</sup>Pt）都可以提供關於化合物性質同結構嘅重要信息。順磁性物質嘅 NMR 可以提供重要嘅結構信息。質子 (<sup>1</sup>H) NMR 都好重要，因為 X 射線晶體學唔容易檢測到輕氫核。
** 紅外光譜學：主要用於嚟自 羰基配體 嘅吸收
** 電子核雙共振 (ENDOR) 光譜學
** 穆斯堡爾光譜學
** 電子順磁共振：ESR（或者 EPR）可以測量順磁性金屬中心嘅環境。

電化學：循環伏安法同相關技術探測化合物嘅氧化還原特性。

## 合成無機化學
雖然一啲無機物質可以從自然界度以純淨形式攞到，但係大多數都喺化工廠同實驗室入面合成。

無機合成方法可以根據組分反應物嘅揮發性或者溶解度大致分類。可溶性無機化合物係使用有機合成嘅方法製備嘅。對於對空氣具有反應性嘅含金屬化合物，會遵循 Schlenk 線 同 手套箱 技術。揮發性化合物同氣體喺「真空歧管」入面操作，真空歧管由透過閥門互連嘅玻璃管道組成，整個管道可以抽真空到 0.001 毫米汞柱或者更低。化合物使用 液態氮（沸點 78K）或者其他 低溫物質 冷凝。固體通常使用管式爐製備，反應物同產物密封喺容器入面，容器通常由熔融石英（無定形 SiO2）製成，但有時會用到更專門嘅材料，例如焊接嘅 Ta 管或者 Pt「船」。產物同反應物喺溫度區域之間運輸以驅動反應。

## 參考文獻