Química inorgánica

La química inorgánica se ocupa de la síntesis y el comportamiento de los compuestos inorgánicos y organometálicos . Este campo abarca los compuestos químicos que no se basan en el carbono, que son objeto de la química orgánica . La distinción entre ambas disciplinas dista mucho de ser absoluta, ya que existe una gran superposición en la subdisciplina de la química organometálica . Tiene aplicaciones en todos los aspectos de la industria química, incluyendo la catálisis , la ciencia de los materiales , los pigmentos , los tensioactivos , los recubrimientos , los medicamentos , los combustibles y la agricultura . ^{[ 1 ]}

Muchos 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 desempeñando múltiples funciones como biomoléculas : como electrolitos ( cloruro de sodio ), en el almacenamiento de energía ( ATP ) o en la construcción (el esqueleto de polifosfato en el ADN ).

Los compuestos inorgánicos presentan una variedad de propiedades de enlace. Algunos son compuestos iónicos , formados por cationes y aniones muy simples unidos por enlaces iónicos . Ejemplos de sales (que son compuestos iónicos) son el _cloruro de magnesio MgCl₂ , formado por cationes de magnesio ^Mg²⁺ y aniones cloruro ^Cl⁻ ; o el hidróxido de sodio NaOH, formado por cationes de sodio ^Na⁺ y aniones 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 , una forma de enlace intermedia entre el enlace covalente y el iónico. Esta descripción se aplica a muchos óxidos , carbonatos y haluros . Muchos compuestos inorgánicos se caracterizan por tener puntos de fusión elevados . Algunas sales (por ejemplo, NaCl ) son muy solubles en agua.

Cuando un reactivo contiene átomos de hidrógeno , puede producirse 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 . ^{[ 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:

• Química organometálica : compuestos con enlaces metal-carbono. Esta área está relacionada con la síntesis orgánica , que emplea numerosos catalizadores y reactivos organometálicos.
• Química de clústeres : compuestos con varios metales unidos entre sí mediante enlaces metal-metal o ligandos puente .
• Química bioinorgánica , biomoléculas que contienen metales. Esta área está relacionada con la química medicinal .
• Química de materiales y química del estado sólido , sólidos extendidos (es decir, poliméricos) que exhiben propiedades que no se observan en moléculas simples. Muchos temas prácticos están asociados con estas áreas, incluida la cerámica .

La química inorgánica es un área de la ciencia eminentemente práctica. Tradicionalmente, la magnitud de la economía de un país se evaluaba por su productividad de ácido sulfúrico .

Un importante compuesto inorgánico artificial 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 por oxidación. Otro material inorgánico de gran escala 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 . ^{[ 9 ]}

La química inorgánica descriptiva se centra en la clasificación de compuestos según sus propiedades. En parte, la clasificación se basa en la posición en la tabla periódica del elemento más pesado (el elemento con el mayor peso atómico) en el compuesto, y en parte, en la agrupación de compuestos según sus similitudes estructurales.

Los compuestos de coordinación clásicos presentan metales unidos a pares de electrones no enlazantes (LNE) en los átomos de los grupos principales de ligandos como H₂O _, NH₃ _, Cl⁻ y CN⁻ . ^{En los compuestos de coordinación modernos ,} casi todos los compuestos orgánicos e inorgánicos pueden utilizarse como ligandos. El metal suele pertenecer a los grupos 3-13, así como a los lantánidos y actínidos trans , pero , desde cierto punto de vista, 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 dos enantiómeros de [Co( ⁽ OH) _₂Co (NH₃ ) _₄ ) _₃ ] _⁶⁺ realizada por Werner , 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. ^{[ 10 ]}

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

Los compuestos de coordinación presentan una gran diversidad de estructuras, que varían desde tetraédricas para el titanio (por ejemplo, TiCl₄ ₎ hasta planas cuadradas para algunos complejos de níquel y octaédricas para los complejos de coordinación del cobalto. Diversos metales de transición se encuentran en compuestos biológicamente importantes, como el hierro en la hemoglobina.

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

Estas especies incluyen elementos de los grupos I, II, III, IV, V, VI, VII y O (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 a veces también se incluyen los lantánidos y actínidos . ^{[ 11 ]}

Los compuestos de los grupos principales se conocen desde los inicios de la química, por ejemplo, el azufre elemental _y el fósforo blanco destilable . Los experimentos con oxígeno, O₂ , realizados por Lavoisier y Priestley no solo identificaron un importante gas diatómico , 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 Carl Bosch y Fritz Haber a principios del siglo XX tuvo un profundo impacto en la humanidad, demostrando la importancia de la síntesis química inorgánica. Los compuestos típicos de los grupos principales son _{SiO₂ ,} SnCl₄ y N₂O . Muchos compuestos de _los grupos principales también pueden clasificarse como "organometálicos", ya que contienen grupos orgánicos, por ejemplo, B( CH₃ ) _₃ . Los compuestos de los grupos principales 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.

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

Los compuestos de gases nobles incluyen varios derivados del xenón y del criptón .

• Ejemplos: hexafluoruro de xenón _XeF₆ , trióxido de xenón _XeO₃ y difluoruro de _kriptón KrF₂

Generalmente, se considera que los compuestos organometálicos contienen el grupo MCH. ^{[ 12 ]} 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 flexible para incluir también complejos altamente lipofílicos como carbonilos metálicos e incluso alcóxidos metálicos .

Los compuestos organometálicos se consideran una categoría especial debido a que los ligandos orgánicos suelen ser sensibles a la hidrólisis o la oxidación, lo que exige que la química organometálica emplee métodos preparativos más especializados que los tradicionales para los complejos de tipo Werner. La metodología sintética, en particular la capacidad de manipular complejos en disolventes de baja capacidad de coordinación, permitió explorar ligandos con muy baja capacidad de coordinación, como los hidrocarburos, el H₂ _y el N₂ _. Dado que estos ligandos son, en cierto modo, productos petroquímicos, el campo de la química organometálica se ha beneficiado enormemente de su relevancia para la industria.

• Ejemplos: Dímero de ciclopentadienilhierro dicarbonilo (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

Los cúmulos se encuentran en todas las clases de compuestos químicos . Según la definición comúnmente aceptada, un cúmulo consta, como mínimo, de un conjunto triangular de átomos directamente unidos entre sí. Sin embargo, los complejos bimetálicos con enlaces metal-metal son de gran relevancia en este campo. Los cúmulos aparecen en sistemas inorgánicos "puros", química organometálica, química de elementos del grupo principal y química bioinorgánica. La distinción entre cúmulos muy grandes y sólidos a granel se difumina cada vez más. Esta interfaz constituye la base química de la nanociencia o nanotecnología y surge específicamente del estudio de los efectos de tamaño cuántico en cúmulos de seleniuro de cadmio . Así, los cúmulos grandes pueden describirse como una matriz de átomos unidos con características intermedias entre una molécula y un sólido.

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

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 ). ^{[ 13 ]} El campo, que incorpora muchos aspectos de la bioquímica, incluye muchos tipos de compuestos, p. ej., 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 hasta agua (p. ej., coordinada a complejos de gadolinio empleados para 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 tanto no esenciales como esenciales con aplicaciones al diagnóstico y las terapias.

• Ejemplos: hemoglobina , metilmercurio , carboxipeptidasa

Esta importante área se centra en la estructura , ^{[ 14 ]} los enlaces 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. La química del estado sólido incluye 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 , YBa₂Cu₃O₇_​​

A diferencia de la mayoría de los compuestos orgánicos , muchos compuestos inorgánicos son magnéticos y/o coloreados. Estas propiedades proporcionan información sobre los enlaces 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 (H₂O ₎ ₂ _es casi diamagnético por debajo de la temperatura ambiente. Esto se debe al acoplamiento magnético entre pares de sitios de Cu(II) en el acetato.

La química inorgánica se ha beneficiado enormemente de las teorías cualitativas. Estas teorías son más fáciles de aprender, ya que requieren pocos conocimientos previos de teoría cuántica. En los compuestos de los grupos principales, la teoría VSEPR predice con gran precisión, o al menos racionaliza, las estructuras de estos compuestos, como por ejemplo, la explicación de por qué _el NH₃ es piramidal mientras que _el ClF₃ tiene forma de T. Para los metales de transición, la teoría del campo cristalino permite comprender el magnetismo de muchos complejos simples, como por ejemplo, por qué el [Fe³⁺ ⁽ CN) _₆ ] ^³⁻ tiene solo un electrón desapareado, mientras que el [Fe³⁺ ⁽ H₂O ₎ ₆ _] ³⁺ ^tiene cinco. Un enfoque cualitativo particularmente eficaz 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 la molécula.

Un concepto fundamental en química es la simetría molecular , plasmada en la teoría de grupos . Los compuestos inorgánicos presentan simetrías particularmente diversas, por lo que resulta lógico que la teoría de grupos esté íntimamente ligada a la química inorgánica. ^{[ 15 ]} La teoría de grupos proporciona el lenguaje para describir las formas de las moléculas según su simetría de grupo puntual . Además, permite la factorización y simplificación de los cálculos teóricos.

Las características espectroscópicas se analizan y describen en función de 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 vibracionales y electrónicos. Una aplicación clásica de la teoría de grupos es la predicción del número de vibraciones C–O en complejos de carbonilo metálico sustituidos. Las aplicaciones más comunes de la simetría a la espectroscopia involucran espectros vibracionales y electrónicos.

_{La teoría de grupos resalta las similitudes y diferencias en el enlace de especies que ,} de otro modo, serían dispares. Por ejemplo, los orbitales basados ​​en metales se transforman de forma idéntica para WF₆ y W(CO) _₆ , pero las energías y poblaciones de estos orbitales difieren significativamente. Existe una relación similar entre _el CO₂ y el difluoruro de berilio molecular .

Un enfoque cuantitativo alternativo para la química inorgánica se centra en las energías de reacción. Este enfoque es muy tradicional y empírico , pero también resulta útil. Algunos conceptos generales expresados ​​en términos termodinámicos incluyen el potencial redox , la acidez y los cambios de fase . Un concepto clásico en 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 pueden observarse directamente.

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

Los mecanismos de los compuestos de los grupos principales 13-18 se suelen analizar en el contexto de la química orgánica (al fin y al cabo, los compuestos orgánicos son compuestos de los grupos principales). 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 Al y Mg, suelen formar estructuras deficientes en electrones que son electrónicamente similares a los carbocationes . Estas especies deficientes en electrones tienden a reaccionar mediante vías asociativas. La química de los lantánidos refleja muchos aspectos de la química del aluminio.

Los compuestos de metales de transición y de los grupos principales suelen reaccionar de forma diferente. ^{[ 16 ]} El importante papel de los orbitales d en el enlace influye notablemente en las vías y velocidades 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.

An overarching aspect of mechanistic transition metal chemistry is the kinetic lability of the complex illustrated by the exchange of free and bound water in the prototypical complexes [M(H₂O)₆]ⁿ⁺:

[M(H₂O)₆]ⁿ⁺ + 6 H₂O* → [M(H₂O*)₆]ⁿ⁺ + 6 H₂O

where H₂O* denotes isotopically enriched water, e.g., H₂¹⁷O

The rates of water exchange varies by 20 orders of magnitude across the periodic table, with lanthanide complexes at one extreme and Ir(III) species being the slowest.

Redox reactions are prevalent for the transition elements. Two classes of redox reaction are considered: atom-transfer reactions, such as oxidative addition/reductive elimination, and electron-transfer. A fundamental redox reaction is "self-exchange", which involves the degenerate reaction between an oxidant and a reductant. For example, permanganate and its one-electron reduced relative manganate exchange one electron:

[MnO₄]⁻ + [Mn*O₄]²⁻ → [MnO₄]²⁻ + [Mn*O₄]⁻

Los ligandos coordinados muestran una reactividad distinta a la de los ligandos libres. Por ejemplo, la acidez de los ligandos de amoníaco en [Co(NH₃ ₎ ₆ _] ³⁺ ^es mayor que la del propio NH₃ _. Los alquenos unidos a cationes metálicos reaccionan frente a nucleófilos, mientras que los alquenos normalmente no lo hacen. El amplio campo de la catálisis , de gran importancia industrial , se basa en la capacidad de los metales para modificar la reactividad de los ligandos orgánicos. La catálisis homogénea se produce en disolución, mientras que la heterogénea se produce cuando sustratos gaseosos o disueltos interactúan con superficies de sólidos. Tradicionalmente, la catálisis homogénea se considera parte de la química organometálica, y la heterogénea se estudia en el contexto de la ciencia de superficies , un subcampo de la química del estado sólido. Sin embargo , los principios químicos inorgánicos básicos son los mismos. Los metales de transición, casi exclusivamente, reaccionan con moléculas pequeñas como CO, H₂ _, O₂ _y C₂H₄ _. La importancia industrial de estas materias primas impulsa el campo activo de la catálisis _. Los ligandos también pueden experimentar reacciones de transferencia de ligando, como la transmetalación .

Debido a la diversidad de elementos y a las propiedades igualmente diversas de los derivados resultantes, la química inorgánica está estrechamente relacionada con numerosos métodos de análisis. Los métodos más antiguos solían examinar propiedades macroscópicas como la conductividad eléctrica de las disoluciones, los puntos de fusión , la solubilidad y la acidez . Con el advenimiento de la teoría cuántica y la consiguiente 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 mediciones proporcionan información relevante para los modelos teóricos. Las técnicas más comunes son:

• Cristalografía de rayos X : Esta técnica permite la determinación tridimensional de estructuras moleculares .
• Diversas formas de espectroscopia :
  • Espectroscopia ultravioleta-visible : Históricamente, esta ha sido una herramienta importante, ya que muchos compuestos inorgánicos son fuertemente coloreados.
  • Espectroscopia de RMN : Además de ^1H y ^13C , muchos otros núcleos activos en RMN (p. ej., 11B ^, 19F ^, 31P y 195Pt ⁾ pueden proporcionar información importante sobre las propiedades y la estructura de los compuestos. La RMN de especies paramagnéticas puede brindar información estructural relevante. La RMN de protón ( ^1H ) también es importante porque el hidrógeno , al ser un núcleo ligero ^, no se detecta fácilmente mediante cristalografía de rayos X.
  • Espectroscopia infrarroja : principalmente para absorciones de ligandos carbonilo.
  • Espectroscopia de doble resonancia electrón-nuclear (ENDOR)
  • espectroscopia Mössbauer
  • Resonancia de espín electrónico : la RPE (o RPE) permite medir el entorno de los centros metálicos paramagnéticos .
• Electroquímica : La voltametría cíclica y técnicas relacionadas permiten analizar las características redox de los compuestos.

Aunque algunas especies inorgánicas pueden obtenerse en estado puro 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. ^{[ 17 ]} Los compuestos inorgánicos solubles se preparan utilizando métodos de síntesis orgánica . Para los compuestos que contienen metales y que son reactivos al aire, se siguen 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 se puede evacuar a 0,001 mm Hg o menos. Los compuestos se condensan utilizando nitrógeno líquido (p.e. 78 K) u otros criógenos . Los sólidos se preparan típicamente utilizando hornos tubulares, los reactivos y 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.

• Publicaciones importantes en química inorgánica