無機化学

無機化学は、無機化合物と有機金属化合物の合成と挙動を扱う。この分野は、有機化学の対象である炭素ベースではない化合物を扱っている。2つの分野の区別は絶対的なものではなく、有機金属化学のサブ分野には多くの重複がある。触媒、材料科学、顔料、界面活性剤、コーティング、医薬品、燃料、農業など、化学産業のあらゆる側面に応用されている。^[1]

多くの無機化合物は、鉱物として自然界に存在します。^[2]土壌には、黄鉄鉱として硫化鉄、石膏として硫酸カルシウムが含まれていることがあります。 [ 3 ] [ 4 ^]無機化合物は、電解質（塩化ナトリウム）、エネルギー貯蔵（ATP）、構造（DNAのポリリン酸骨格）など、生体分子としてマルチタスクで使用されていることもあります。

無機化合物は、さまざまな結合特性を示します。一部はイオン化合物で、イオン結合によって結合した非常に単純な陽イオンと陰イオンで構成されています。塩（イオン化合物）の例には、マグネシウム陽イオン Mg ²⁺と塩化物陰イオン Cl ⁻で構成される塩化マグネシウムMgCl ₂、またはナトリウム陽イオン Na ⁺と水酸化物陰イオン OH ⁻で構成される水酸化ナトリウムNaOH があります。二酸化硫黄や鉄ペンタカルボニルなど、一部の無機化合物は共有結合性が高いです。多くの無機化合物は極性共有結合を特徴としており、これは共有結合とイオン結合の中間の結合形式です。この説明は、多くの酸化物、炭酸塩、およびハロゲン化物に当てはまります。多くの無機化合物は、高融点を特徴とします。一部の塩（例：NaCl）は水に非常に溶けやすいです。

反応物の1つに水素原子が含まれている場合、酸塩基化学においてプロトンを交換することで反応が起こります。より一般的な定義では、電子対に結合できる化学種はすべてルイス酸と呼ばれ、逆に電子対を供与する傾向がある分子はすべてルイス塩基と呼ばれます。^[5]酸塩基相互作用の改良として、HSAB理論はイオンの分極率とサイズを考慮に入れています。

無機化学の分野は数多くありますが、その中には以下のものがあります。

• 有機金属化学、金属-炭素結合を持つ化合物。この分野では、多くの有機金属触媒と試薬を使用する有機合成について扱います。
• クラスター化学、金属間結合または架橋配位子によって複数の金属が結合した化合物。
• 生物無機化学、金属を含む生体分子。この分野は医薬化学に関係します。
• 材料化学と固体化学、すなわち、単純な分子には見られない特性を示す拡張された（すなわち高分子の）固体。セラミックスを含む多くの実用的なテーマがこれらの領域に関連しています。

無機化学は、非常に実用的な科学分野です。伝統的に、国家の経済規模は硫酸の生産性によって評価されてきました。

重要な人工無機化合物は硝酸アンモニウムで、肥料として使用されます。アンモニアはハーバー法で生成されます。^{[6] [7] [8]} 硝酸はアンモニアから酸化によって製造されます。別の大規模な無機材料はポートランドセメントです。無機化合物は、二酸化硫黄の酸化のための酸化バナジウム(V)やアルケンの重合のための塩化チタン(III)などの触媒として使用されます。多くの無機化合物は、リチウムアルミニウムハイドライドなどの有機化学の試薬として使用されます。^[要出典]

記述的無機化学は、化合物の特性に基づいて化合物を分類することに焦点を当てています。分類は、化合物中の最も重い元素（最も原子量が大きい元素）の周期表上の位置に焦点を当てたり、構造の類似性によって化合物をグループ化したりすることで行われます。

古典的な配位化合物は、 H ₂ O、NH ₃、Cl ⁻、CN ⁻などの配位子の主族原子に存在する「孤立電子対」に結合した金属を特徴とします。現代の配位化合物では、ほぼすべての有機化合物と無機化合物を配位子として使用できます。「金属」は通常、3～13族の金属、および超ランタニドと超アクチニドですが、ある観点からは、すべての化合物を配位錯体として記述できます。

配位錯体の立体化学は非常に豊富であり、ヴェルナーが[Co((OH) ₂ Co(NH ₃ ) ₄ ) ₃ ] ⁶⁺の2つのエナンチオマーを分離したことからもそれが示唆されており、これはキラリティーが有機化合物に固有のものではないことを早期に実証したものである。この専門分野における話題のテーマは超分子配位化学である。^[9]

• 例: [Co( EDTA )] ⁻、[Co(NH ₃ ) ₆ ] ³⁺、TiCl ₄ ( THF ) ₂。

配位化合物は、チタンの四面体（例：TiCl ₄）から一部のニッケル錯体の四角平面、コバルトの配位錯体の八面体まで、多様な構造を示します。ヘモグロビン中の鉄など、生物学的に重要な化合物にはさまざまな遷移金属が含まれています。

• 例:ペンタカルボニル鉄、四塩化チタン、シスプラチン

これらの種は、周期表のI、II、III、IV、V、VI、VII、0族（水素を除く）の元素を特徴としています。これらの元素は反応性が似ていることが多いため、通常、第3族（ Sc、Y、La）と第12族（Zn、Cd、Hg）の元素も含まれており、ランタノイドやアクチノイドも含まれることがあります。^[10]

典型化合物は、元素硫黄や蒸留可能な白リンなど、化学の始まりから知られていました。ラボアジエとプリーストリーによる酸素O ₂の実験は、重要な二原子ガスを特定しただけでなく、化合物と反応を化学量論比に従って記述する道を開いた。1900年代初頭のカール・ボッシュとフリッツ・ハーバーによる鉄触媒を使用したアンモニアの実用的な合成の発見は、人類に大きな影響を与え、無機化学合成の重要性を実証しました。典型的な典型化合物は、SiO ₂、SnCl ₄、およびN _{2 Oです。多くの典型化合物は、B(} CH ₃ ) ₃などの有機基を含むため、「有機金属」としても分類できます。典型化合物は、DNAのリン酸など、自然界にも存在するため、生体無機物として分類できます。逆に、フラーレン、バッキーチューブ、二元炭素酸化物 など、（多くの）水素配位子を欠く有機化合物は、「無機」として分類できます。

• 例:四窒化四硫黄S ₄ N ₄、ジボランB ₂ H ₆、シリコーン、バックミンスターフラーレンC ₆₀。

希ガス化合物には、キセノンとクリプトンの誘導体がいくつか含まれます。

• 例:六フッ化キセノンXeF ₆、三酸化キセノンXeO ₃、二フッ化クリプトンKrF ₂

通常、有機金属化合物はMCH基を含むと考えられています。^[11] これらの種の金属（M）は、主族元素または遷移金属のいずれかです。操作上、有機金属化合物の定義はより緩和されており、金属カルボニルや金属アルコキシドなどの親油性の高い錯体も含まれます。

有機金属化合物は、主に特殊なカテゴリであると考えられています。有機配位子は加水分解や酸化に敏感な場合が多く、そのため有機金属化学では、ウェルナー型錯体で従来行われていたものよりも特殊な調製方法を採用する必要があるためです。合成方法、特に配位力の低い溶媒中で錯体を操作できる能力により、炭化水素、H ₂、N ₂などの非常に弱い配位配位子の研究が可能になりました。配位子はある意味で石油化学物質であるため、有機金属化学の分野は、産業との関連性から大きな恩恵を受けています。

• 例:シクロペンタジエニル鉄ジカルボニル二量体(C ₅ H ₅ )Fe(CO) ₂ CH ₃、フェロセンFe(C ₅ H ₅ ) ₂、モリブデンヘキサカルボニルMo(CO) ₆、トリエチルボランEt ₃ B、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0) Pd ₂ (dba) ₃ )

クラスターは、あらゆる種類の化合物に存在します。一般に受け入れられている定義によれば、クラスターは、少なくとも互いに直接結合した三角形の原子の集合で構成されています。しかし、金属同士が結合した二金属錯体は、この分野に深く関係しています。クラスターは、「純粋な」無機系、有機金属化学、主族化学、および生体無機化学で発生します。非常に大きなクラスターとバルク固体との区別はますます曖昧になっています。この境界面は、ナノサイエンスまたはナノテクノロジーの化学的基礎であり、特にセレン化カドミウムクラスターの量子サイズ効果の研究から生じています。したがって、大きなクラスターは、分子と固体の中間の性質を持つ結合原子の配列として説明できます。

• 例: Fe ₃ (CO) ₁₂、B ₁₀ H ₁₄、[Mo ₆ Cl ₁₄ ] ²⁻、4Fe-4S

定義上、これらの化合物は自然界に存在するが、このサブフィールドには汚染物質（メチル水銀など）や薬物（シスプラチンなど）などの人為起源の種も含まれる。^[12] 生化学の多くの側面を組み込んだこの分野には、DNA中のリン酸などの多くの種類の化合物や、一般的にはペプチドである生物学的高分子からフミン酸などの定義が曖昧な種、水（ MRIに用いられるガドリニウム錯体に配位したものなど）に及ぶ配位子を含む金属錯体が含まれる。伝統的に、生物無機化学は呼吸に関係するタンパク質における電子およびエネルギーの移動に焦点を当てている。医用無機化学には、診断と治療への応用を目的とし た必須元素と非必須元素の両方の研究が含まれる。

• 例:ヘモグロビン、メチル水銀、カルボキシペプチダーゼ

この重要な分野は、物質の構造、^{[13]結合、および物理的特性に焦点を当てています。実際には、固体無機化学では、}結晶学などの技術を使用して、固体のサブユニット間の集団的相互作用から生じる特性を理解します。固体化学には、金属とその合金または金属間誘導体が含まれます。関連分野は、凝縮物質物理学、鉱物学、および材料科学です。

• 例:シリコンチップ、ゼオライト、YBa ₂ Cu ₃ O ₇

ほとんどの有機化合物とは対照的に、多くの無機化合物は磁性および/または着色性があります。これらの特性は結合と構造に関する情報を提供します。無機化合物の磁性は複雑になることがあります。たとえば、ほとんどの銅(II)化合物は常磁性ですが、Cu ^II ₂ (OAc) ₄ (H ₂ O) _{2 は}室温以下ではほとんど反磁性です。これは、酢酸塩中の Cu(II) サイト間の 磁気結合によるものです。

無機化学は定性理論の恩恵を大いに受けてきた。このような理論は量子論の知識がほとんど必要ないため、習得が容易である。主族化合物においては、VSEPR理論は主族化合物の構造を強力に予測、または少なくとも合理化する。例えば、 NH ₃がピラミッド型であるのに対し、ClF ₃はT字型である理由などである。遷移金属については、結晶場理論によって多くの単純な錯体の磁性を理解できる。例えば、[Fe ^III (CN) ₆ ] ³⁻には不対電子が1つしかないのに対し、[Fe ^III (H ₂ O) ₆ ] ^{3+には5つある理由などである。構造と反応性を評価するための特に強力な定性アプローチは、分子を}電子カウントに従って分類することから始まり、通常は分子の中心原子にある価電子の数に焦点を合わせる。 ^[要出典]

化学における概念の1つに分子の対称性があり、群論に具体化されている。無機化合物は特に多様な対称性を示すため、群論が無機化学と密接に関連しているのは当然である。^{[14]群論は、}点群の対称性に従って分子の形状を記述するための言語を提供する。群論は、理論計算の因数分解と簡素化も可能にする。

分光学的特徴は、とりわけ振動状態または電子状態の対称性特性に関して分析され、説明されます。基底状態と励起状態の対称性特性の知識により、振動スペクトルと電子スペクトルの吸収の数と強度を予測できます。群論の古典的な応用は、置換金属カルボニル錯体の C-O 振動数の予測です。分光学における対称性の最も一般的な応用は、振動スペクトルと電子スペクトルです。

群論は、本来は異なる種の結合における共通点と相違点を強調します。たとえば、金属ベースの軌道はWF ₆とW(CO) ₆で同じように変換されますが、これらの軌道のエネルギーと分布は大幅に異なります。同様の関係がCO ₂と分子状二フッ化ベリリウムにも存在します。

無機化学に対するもう 1 つの定量的アプローチは、反応のエネルギーに焦点を当てています。このアプローチは非常に伝統的で経験的ですが、有用でもあります。熱力学用語で表現される幅広い概念には、酸化還元電位、酸性度、相変化などがあります。無機熱力学の古典的な概念はボルン・ハーバー サイクルで、これは電子親和力などの基本プロセスのエネルギーを評価するために使用されます。これらのプロセスの一部は直接観察できません。

無機化学の重要な側面は、反応経路、つまり反応機構に焦点を当てています。

13～18族の典型化合物のメカニズムは、通常、有機化学の文脈で議論されます（結局のところ、有機化合物は典型化合物です）。 C、N、O、Fよりも重い元素は、超原子価分子の記事で説明されているように、オクテット則で予測されるよりも多くの電子を持つ化合物を形成することがよくあります。 このため、それらの反応メカニズムは有機化合物とは異なります。炭素よりも軽い元素（B、Be、Li）やAl、Mgは、電子的にはカルボカチオンに似た電子不足構造を形成することがよくあります。 このような電子不足の種は、会合経路を介して反応する傾向があります。 ランタノイドの化学は、アルミニウムに見られる化学の多くの側面を反映しています。

遷移金属化合物と典型族化合物はしばしば異なる反応を示す。^{[15]結合におけるd軌道の重要な役割は、配位子の置換と解離の経路と速度に強く影響する。これらのテーマは、}錯体化学と配位子に関する記事で取り上げられている。会合経路と解離経路の両方が観察される。

遷移金属化学の機構の包括的な側面は、典型的な錯体[M(H ₂ O) ₆ ] ⁿ⁺における自由水と結合水の交換によって示される錯体の運動学的不安定性である。

[M(H ₂ O) ₆ ] ⁿ⁺ + 6 H ₂ O* → [M(H ₂ O*) ₆ ] ⁿ⁺ + 6 H ₂ O

ここで、H ₂ O*は同位体濃縮水、例えばH ₂ ¹⁷ Oを表す。

水交換の速度は周期表全体で 20 桁変化しますが、ランタニド錯体ではその差は大きく、Ir(III) 種では最も遅くなります。

遷移元素では酸化還元反応が一般的です。酸化還元反応には、酸化的付加/還元的脱離などの原子移動反応と電子移動の 2 つの種類があります。基本的な酸化還元反応は「自己交換」であり、酸化剤と還元剤の間の縮退反応を伴います。たとえば、過マンガン酸塩とその 1 電子還元された相対マンガン酸塩は、1 つの電子を交換します。

[MnO ₄ ] ⁻ + [Mn*O ₄ ] ²⁻ → [MnO ₄ ] ²⁻ + [Mn*O ₄ ] ⁻

配位リガンドは、自由リガンドとは異なる反応性を示します。たとえば、[Co(NH ₃ ) ₆ ] ³⁺_{のアンモニアリガンドの酸性度は、NH 3}自体に比べて高くなっています。金属カチオンに結合したアルケンは求核剤に対して反応しますが、アルケンは通常は反応しません。触媒作用の大規模で産業的に重要な領域は、金属が有機リガンドの反応性を修正する能力にかかっています。 均一系触媒作用は溶液中で起こり、不均一系触媒作用はガス状または溶解した基質が固体の表面と相互作用するときに起こります。伝統的に、均一系触媒作用は有機金属化学の一部であると考えられており、不均一系触媒作用は固体化学のサブフィールドである表面科学の文脈で議論されています。しかし、基本的な無機化学原理は同じです。遷移金属は、ほぼ唯一、CO、H ₂、O ₂、C ₂ H ₄などの小分子と反応します。これらの原料の産業的重要性は、触媒の活性領域を推進します。配位子は、金属交換反応などの配位子移動反応を起こすこともできます。

元素の種類が多様で、その結果生じる誘導体の特性も多様であるため、無機化学は多くの分析方法と密接に関連しています。従来の方法では、溶液の電気伝導率、融点、溶解度、酸性度などのバルク特性を調べる傾向がありました。量子論の出現とそれに伴う電子機器の拡張により、無機分子や固体の電子特性を調べるための新しいツールが導入されました。これらの測定により、理論モデルに関連する洞察が得られることがよくあります。よく使用される手法は次のとおりです。

• X 線結晶構造解析: この技術により分子構造の 3D 決定が可能になります。
• さまざまな形態の分光法:
  • 紫外可視分光法：歴史的に、多くの無機化合物は強い色を呈するため、これは重要なツールであった。
  • NMR 分光法: ¹ Hと¹³ C以外にも、多くの NMR 活性核 (例: ¹¹ B、¹⁹ F、³¹ P、¹⁹⁵ Pt ) から化合物の特性と構造に関する重要な情報が得られます。常磁性種の NMR からは重要な構造情報が得られます。軽い水素核は X 線結晶構造解析では検出されにくいため、陽子 ( ¹ H ) NMR も重要です。
  • 赤外分光法：主にカルボニル配位子からの吸収を対象とする
  • 電子核二重共鳴（ENDOR）分光法
  • メスバウアー分光法
  • 電子スピン共鳴: ESR (または EPR) を使用すると、常磁性金属中心の環境を測定できます。
• 電気化学:サイクリックボルタンメトリーおよび関連技術は、化合物の酸化還元特性を調べます。

一部の無機物質は自然界から純粋な形で得られますが、大部分は化学工場や研究室で合成されます。

無機合成法は、成分反応物の揮発性または溶解性によって大まかに分類できます。^[16] 可溶性無機化合物は、有機合成法を使用して製造されます。空気に対して反応性のある金属含有化合物の場合、シュレンクラインとグローブボックス技術が使用されます。揮発性化合物とガスは、バルブを介して相互接続されたガラスパイプで構成される「真空マニホールド」で操作され、全体を 0.001 mm Hg 以下に減圧できます。化合物は、液体窒素(bp 78K) またはその他の極低温物質を使用して凝縮されます。固体は通常、チューブ炉を使用して製造され、反応物と生成物は、多くの場合、溶融シリカ (非晶質 SiO ₂ )で作られた容器に密封されますが、溶接された Ta チューブや Pt「ボート」などのより特殊な材料で作られることもあります。生成物と反応物は、反応を促進するために温度ゾーン間を輸送されます。

• 無機化学における重要な出版物

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