Química inorgánica

La química inorgánica se ocupa de la síntesis y el comportamiento de los compuestos inorgánicos y organometálicos. Este campo cubre compuestos químicos que no están basados ​​en carbono, que son los temas de la química orgánica. La distinción entre las dos disciplinas está lejos 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 tensioactivos, los recubrimientos, 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 el cloruro de magnesio MgCl2 _, que consta de cationes de magnesio Mg y aniones de cloruro Cl; u óxido de sodio Na ₂ O, que consiste en cationes de sodio Na y aniones de óxido O. En cualquier sal, las proporciones de los iones son tales que las cargas eléctricas se anulan, de modo que el compuesto a granel es eléctricamente neutro. Los iones se describen por su estado de oxidación y su facilidad de formación puede deducirse del potencial de ionización (para cationes) o de la afinidad electrónica (aniones) de los elementos originales.

Las clases importantes de compuestos inorgánicos son los óxidos, los carbonatos, los sulfatos y los haluros. Muchos compuestos inorgánicos se caracterizan por altos puntos de fusión. Las sales inorgánicas suelen ser malos conductores en estado sólido. Otras características importantes incluyen su alto punto de fusión y la facilidad de cristalización. Mientras que algunas sales (p. ej., NaCl) son muy solubles en agua, otras (p. ej., FeS) no lo son.

La reacción inorgánica más simple es el doble desplazamiento cuando en la mezcla de dos sales los iones se intercambian sin un cambio en el estado de oxidación. En las reacciones redox, un reactivo, el oxidante, baja su estado de oxidación y otro reactivo, el reductor, aumenta su estado de oxidación. El resultado neto es un intercambio de electrones. El intercambio de electrones también puede ocurrir indirectamente, por ejemplo, en baterías, un concepto clave en electroquímica.

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 tiende a donar un par de electrones se denomina base de Lewis. Como refinamiento de las interacciones ácido-base, la teoría HSAB tiene en cuenta la polarizabilidad y el tamaño de los iones.

Los compuestos inorgánicos se encuentran en la naturaleza como minerales. El suelo puede contener sulfuro de hierro como pirita o sulfato de calcio como yeso. Los compuestos inorgánicos también se encuentran multitarea como biomoléculas: como electrolitos (cloruro de sodio), en el almacenamiento de energía (ATP) o en la construcción (la columna vertebral de polifosfato en el ADN).

El primer compuesto inorgánico artificial importante fue el nitrato de amonio para la fertilización del suelo a través del proceso Haber. Los compuestos inorgánicos se sintetizan para su uso como catalizadores, como el óxido de vanadio (V) y el cloruro de titanio (III), o como reactivos en química orgánica, como el hidruro de litio y aluminio.

Las subdivisiones de la química inorgánica son la química organometálica, la química de grupos y la química bioinorgánica. Estos campos son áreas activas de investigación en química inorgánica, dirigidas a nuevos catalizadores, superconductores y terapias.

Química inorgánica industrial

La química inorgánica es un área altamente práctica de la ciencia. Tradicionalmente, la escala de la economía de una nación podría evaluarse por su productividad de ácido sulfúrico. La fabricación de fertilizantes, que a menudo comienza con el proceso Haber-Bosch, es otra aplicación práctica de la química inorgánica industrial.

Química inorgánica descriptiva

La química inorgánica descriptiva se centra en la clasificación de compuestos en función de sus propiedades. En parte, la clasificación se enfoca en la posición en la tabla periódica del elemento más pesado (el elemento con el peso atómico más alto) en el compuesto, en parte agrupando los compuestos por sus similitudes estructurales.

Compuestos de coordinación

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 3-13, así como los trans -lantánidos y trans -actínidos, 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 ], 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.

• Ejemplos: [Co(EDTA)], [Co(NH ₃) ₆ ], TiCl ₄ (THF) ₂.

Compuestos del grupo principal

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 los lantánidos y actínidos a veces también se incluyen.

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 abrieron el camino para describir compuestos y reacciones según proporciones estequiométricas. El descubrimiento de una síntesis práctica de amoníaco utilizando catalizadores de hierro por parte de 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 se pueden clasificar como "organometálicos", ya que contienen grupos orgánicos, por ejemplo, B(CH ₃)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 buckytubes y los óxidos de carbono binarios.

• Ejemplos: tetranitruro de tetrasulfuro S ₄ N ₄, diborano B ₂ H ₆, siliconas, buckminsterfullereno C ₆₀.

Compuestos de metales de transición

Los compuestos que contienen metales del grupo 4 al 11 se consideran compuestos de metales de transición. Los compuestos con un metal del grupo 3 o 12 a veces también se incorporan a este grupo, pero también se clasifican a menudo como compuestos del grupo principal.

Los compuestos de metales de transición muestran una rica química de coordinación, que varía desde tetraédricos para el titanio (p. ej., TiCl ₄) hasta cuadrados planos para algunos complejos de níquel y octaédricos 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.

• Ejemplos: pentacarbonilo de hierro, tetracloruro de titanio, cisplatino

Compuestos organometálicos

Por lo general, se considera que los compuestos organometálicos contienen el grupo MCH. 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 lipofílicos tales como carbonilos metálicos e incluso alcóxidos metálicos.

Los compuestos organometálicos se consideran principalmente una categoría especial porque los ligandos orgánicos a menudo son sensibles a la hidrólisis o la oxidación, lo que requiere que la química organometálica emplee métodos de preparación 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 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, trietilborano Et ₃ B, tris(dibencilidenacetona)dipaladio(0) Pd ₂ (dba) ₃)

Compuestos de racimo

Los grupos 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 dimetálicos unidos metal-metal son muy relevantes para el área. Los grupos ocurren en sistemas inorgánicos "puros", química organometálica, química del grupo principal 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 los clústeres de seleniuro de cadmio. Por lo tanto, los grupos grandes se pueden describir como una matriz de átomos unidos 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 se encuentran en la naturaleza, pero el subcampo incluye especies antropogénicas, como contaminantes (p. ej., metilmercurio) y fármacos (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 agua (p. ej., coordinada con complejos de gadolinio empleados para MRI). Tradicionalmente, la química bioinorgánica se centra en la transferencia de energía y electrones en proteínas relevantes para la respiración. La química inorgánica medicinal incluye el estudio de elementos esenciales y no esenciales con aplicaciones para el diagnóstico y las terapias.

• Ejemplos: hemoglobina, metilmercurio, carboxipeptidasa

Compuestos de estado sólido

Esta importante área se centra en la estructura, la 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.

• Ejemplos: chips de silicio, zeolitas, YBa ₂ Cu ₃ O ₇

Química inorgánica teórica

Una perspectiva alternativa en el área de la química inorgánica comienza con el modelo de Bohr del átomo y, utilizando las herramientas y los modelos de la química teórica y la química computacional, se expande hacia el enlace en moléculas simples y luego más complicadas. Las descripciones mecánicas cuánticas precisas para especies multielectrónicas, la provincia de la química inorgánica, son difíciles. Este desafío ha generado muchos enfoques semicuantitativos o semiempíricos, incluida la teoría de orbitales moleculares y la teoría de campos de ligandos. Paralelamente a estas descripciones teóricas, se emplean metodologías aproximadas, incluida la teoría 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 cristalino 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, como la interacción de intercambio. Estos modelos mejorados condujeron 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 poca formación 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 NH ₃ es piramidal mientras que 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(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 según el conteo de electrones, centrándose en la cantidad de electrones de valencia, generalmente en el átomo central de una molécula.

Teoría de grupos de simetría molecular

Una construcción central en la química inorgánica es la teoría de la simetría molecular. La teoría matemática de grupos proporciona el lenguaje para describir las formas de las moléculas de acuerdo con la simetría de su grupo puntual. 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 los estados vibracionales o electrónicos, entre otros. El conocimiento de las propiedades de simetría de los estados fundamental y excitado permite predecir el número y la intensidad de las absorciones en los espectros vibracional y electrónico. Una aplicación clásica de la teoría de grupos es la predicción del número de vibraciones de CO en complejos de carbonilo de metal sustituido. Las aplicaciones más comunes de la simetría a la espectroscopia involucran espectros vibratorios y electrónicos.

La teoría de grupos destaca los puntos en común y las diferencias en la unión de especies que de otro modo serían dispares. Por ejemplo, los orbitales basados ​​en metales 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.

Termodinámica y química inorgánica

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, cambios de fase. Un concepto clásico de la 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 se pueden observar directamente.

Química inorgánica mecanicista

Un aspecto importante de la química inorgánica se centra en las vías de reacción, es decir, los mecanismos de reacción.

Elementos del grupo principal 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 los predichos por 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 livianos 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. Tales especies deficientes en electrones tienden a reaccionar a través de vías asociativas. La química de los lantánidos refleja muchos aspectos de la química del aluminio.

Complejos de metales de transición

Los compuestos de metales de transición y del grupo principal a menudo reaccionan de manera diferente. 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 ligando. 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 ligada en los complejos prototípicos [M(H ₂ O) ₆ ]:[M(H ₂ O) ₆ ] + 6 H ₂ O* → [M(H ₂ O*) ₆ ] + 6 H ₂ Odonde H ₂ O* denota agua isotópicamente enriquecida, p. ej., H ₂ O

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.

Reacciones redox

Las reacciones redox prevalecen para los elementos de transición. Se consideran dos clases de reacciones redox: reacciones de transferencia de átomos, como adición oxidativa/eliminación reductora, y 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:[MnO ₄ ] + [Mn*O ₄ ] → [MnO ₄ ] + [Mn*O ₄ ]

Reacciones en ligandos

Los ligandos coordinados muestran una 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 ₃sí mismo. Los alquenos unidos a cationes metálicos son reactivos 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 los sustratos gaseosos o disueltos interactúan con las superficies de los 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.

Caracterización de compuestos inorgánicos

Debido a la diversa gama de elementos y las propiedades correspondientemente 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 investigar las propiedades electrónicas de las moléculas y los sólidos inorgánicos. A menudo, estas medidas proporcionan información relevante para los modelos teóricos. Las técnicas comúnmente encontradas son:

• Cristalografía de rayos X: Esta técnica permite la determinación 3D de estructuras moleculares.
• Interferómetro de doble polarización: esta técnica mide la conformación y el cambio conformacional de las moléculas.
• Diversas formas de espectroscopia:
  • Espectroscopia ultravioleta-visible: Históricamente, esta ha sido una herramienta importante, ya que muchos compuestos inorgánicos están fuertemente coloreados.
  • Espectroscopía de RMN: además de H y C, muchos otros núcleos activos en RMN (p. ej., B, F, P y Pt) pueden proporcionar información importante sobre las propiedades y la estructura de los compuestos. La RMN de especies paramagnéticas puede proporcionar información estructural importante. La RMN de protón (H) también es importante porque el núcleo de hidrógeno ligero no se detecta fácilmente mediante cristalografía de rayos X.
  • Espectroscopia infrarroja: principalmente para absorciones de ligandos carbonilo
  • Espectroscopía de doble resonancia nuclear de electrones (ENDOR)
  • espectroscopia Mössbauer
  • Resonancia de espín electrónico: ESR (o EPR) permite la medición del entorno de los centros metálicos paramagnéticos.
• Electroquímica: la voltamperometría cíclica y técnicas relacionadas sondean 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 según la volatilidad o solubilidad de los reactivos componentes. Los compuestos inorgánicos solubles se preparan utilizando métodos de síntesis orgánica. Para los compuestos que contienen metales que reaccionan con el aire, se siguen las técnicas de la línea de Schlenk y de la 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, la totalidad de las cuales se pueden evacuar a 0,001 mm Hg o menos. Los compuestos se condensan usando nitrógeno líquido (pe 78K) u otros criógenos. Los sólidos se preparan típicamente usando hornos tubulares, los reactivos y los productos se sellan en contenedores, a menudo hechos de sílice fundida (SiO _{2 amorfo}) pero a veces materiales más especializados como tubos de Ta soldados o “barcos” de Pt. Los productos y reactivos se transportan entre zonas de temperatura para impulsar las reacciones.