giovedì 17 ottobre 2013

LA CHIMICA INORGANICA

La chimica inorganica è quella branca della chimica che studia gli elementi e la sintesi e caratterizzazione dei composti inorganici.
Secondo la definizione storica la chimica inorganica si occupa delle sostanze non prodotte dalla materia vivente, oggetto di studio della chimica organica, quali sono i composti derivati dal regno minerale che non possiede forza vitale, in accordo con la teoria vitalista. Caratteristica delle sostanze inorganiche era considerata anche la loro possibilità di sintesi in laboratorio.
Dopo la sintesi dell'urea effettuata da Friedrich Wöhler nel 1828, utilizzando il composto inorganico cianato d'ammonio, i confini tra le due branche della chimica si sono ristretti essendo dimostrato che anche i composti organici sono in realtà sintetizzabili in laboratorio.
Successivamente è stato constatato che gli organismi viventi sono anch'essi in grado di sintetizzare composti inorganici e con l'ulteriore affinarsi di conoscenze e tecniche sono addirittura fioriti campi di studio "ibridi" come quelli della chimica metallorganica e della chimica supramolecolare. Tuttavia permane una certa differenza fondata sulla diversa e caratteristica reattività della quale godono i composti organici e che si evidenzia in meccanismi di reazione del tutto peculiari.
Molti composti inorganici sono composti ionici, sali costituiti da cationi e anioni tenuti assieme da legame ionico. Esempi di sali sono: il cloruro di magnesio MgCl2, costituito da cationi magnesio Mg2+ e anionicloruro Cl–, e l'ossido di sodio Na2O, costituito da cationi sodio Na+ e anioni ossido O2–. In tutti i sali la carica totale dei cationi è bilanciata da quella degli anioni, in modo che il composto solido è elettricamente neutro. La facilità di formazione di ioni monoatomici può essere valutata dal potenziale di ionizzazione (per i cationi) o dall'affinità elettronica (per gli anioni) dell'elemento corrispondente.
Ossidi, carbonati, solfati e alogenuri costituiscono importanti famiglie di sali inorganici. Molti composti inorganici hanno punto di fusione elevato. Allo stato solido i sali inorganici in genere sono cattivi conduttori di elettricità. Una caratteristica abbastanza comune è la solubilità in acqua e la facilità di cristallizzazione (ad es. NaCl), ma molti sono invece insolubili (ad es. SiO2).
La più semplice reazione chimica inorganica è il doppio scambio, dove mettendo assieme due sali gli ioni si scambiano senza variazioni del numero di ossidazione. Nelle reazioni di ossidoriduzione un reagente, dettoossidante, acquista elettroni e diminuisce il proprio stato di ossidazione, mentre l'altro, detto riducente, cede elettroni e aumenta il proprio stato di ossidazione. Scambi di elettroni possono avvenire anche indirettamente, ad esempio nelle pile, che sono dispositivi elettrochimici.
Quando uno dei reagenti contiene atomi di idrogeno si può avere una reazione acido-base, dove vengono trasferiti protoni. In una definizione più generale, qualsiasi specie chimica capace di legarsi ad una coppia di elettroni è detta acido di Lewis; per contro, ogni specie che tende a cedere una coppia di elettroni è detta base di Lewis. Un trattamento più raffinato delle interazioni acido-base è la teoria HSAB, che tiene conto della polarizzabilitàe della dimensione degli ioni.
I composti inorganici si trovano in natura come minerali. Il suolo può contenere solfuro di ferro sotto forma di pirite o solfato di calcio sotto forma digesso. I composti inorganici possono svolgere molte funzioni anche in campo biologico: come elettroliti (cloruro di sodio), come riserva di energia (ATP), come materiali strutturali (i gruppi fosfato che formano lo scheletro del DNA).
Il primo composto inorganico importante prodotto artificialmente è stato il nitrato d'ammonio, un fertilizzante ottenuto con il processo Haber-Bosch. Alcuni composti inorganici si sintetizzano per utilizzarli come catalizzatori, come V2O5 e TiCl3, altri servono come reagenti in chimica organica, comeLiAlH4.
Un altro modo di avvicinarsi alla chimica inorganica è partire dal modello atomico di Bohr, e usare gli strumenti e i modelli della chimica teorica e dellachimica computazionale per spiegare i legami in molecole semplici, per poi passare a specie più complesse. I composti inorganici contengono molti elettroni, ed è quindi arduo descriverli accuratamente con i metodi della meccanica quantistica. Per affrontare queste difficoltà sono stati inventati molti approcci semiquantitativi o semiempirici, tra i quali la teoria degli orbitali molecolari e la teoria del campo dei leganti. Oltre a queste descrizioni teoriche si usano anche metodi approssimati, come la teoria del funzionale della densità.
I composti che si comportano in modo inspiegabile per le teorie, sia in senso qualitativo che quantitativo, sono molto importanti per l'avanzamento delle conoscenze. Ad esempio, CuII2(OAc)4(H2O)2 è quasi diamagnetico al di sotto della temperatura ambiente, mentre la teoria del campo cristallino predice che la molecola abbia due elettroni spaiati. Il disaccordo tra teoria (paramagnetico) e osservazione sperimentale (diamagnetico) ha portato allo sviluppo di modelli di "accoppiamento magnetico", che a loro volta hanno generato nuove tecnologie e nuovi materiali magnetici.
La chimica inorganica ha tratto grandi vantaggi dalle teorie qualitative, che sono più facili da comprendere perché richiedono poche conoscenze di chimica quantistica. La teoria VSEPR è in grado di razionalizzare e predire le strutture di molti composti dei gruppi principali; ad esempio spiega perché NH3 è piramidale mentre ClF3 ha forma a T. Nei metalli di transizione la teoria del campo cristallino permette di interpretare le proprietà magnetiche di molti complessi; ad esempio [FeIII(CN)6]3− ha un solo elettrone spaiato, mentre [FeIII(H2O)6]3+ ne ha cinque.
Un concetto molto utile in chimica inorganica è quello di simmetria molecolare.[6] In matematica, la teoria dei gruppi fornisce il formalismo adatto a descrivere la forma delle molecole a seconda del gruppo puntuale cui appartengono. La teoria dei gruppi permette anche di semplificare i calcoli teorici.
In spettroscopia, le applicazioni più comuni della teoria dei gruppi riguardano spettri vibrazionali ed elettronici, perché conoscendo le proprietà di simmetria dello stato fondamentale e degli stati eccitati di una specie chimica si può prevedere numero e intensità delle bande di assorbimento. Una applicazione comune della teoria dei gruppi è la previsione del numero di vibrazioni C–O in complessi metallocarbonilici sostituiti.
La teoria dei gruppi è anche uno strumento didattico per evidenziare somiglianze e differenze nelle proprietà di legame di specie diversissime come WF6 eMo(CO)6, o CO2 e NO2.
Un differente approccio quantitativo alla chimica inorganica considera l'energia scambiata durante le reazioni. Questo approccio è molto tradizionale edempirico, ma di grande utilità. Potenziale redox, acidità e transizioni di fase sono alcuni dei concetti che si possono esprimere in termini termodinamici. Un altro concetto classico della termodinamica inorganica è il ciclo di Born-Haber, usato per determinare l'energia di processi elementari che non possono essere misurati direttamente, come l'affinità elettronica.
I composti chimici inorganici possono contenere praticamente tutti gli elementi della tavola periodica e avere proprietà diversissime, quindi la loro caratterizzazione può richiedere i metodi di analisi più disparati. I metodi più vecchi tendevano ad esaminare proprietà generali come punto di fusione, solubilità, acidità e conducibilità elettrica in soluzione. Successivamente, l'avvento dellameccanica quantistica e il perfezionamento delle apparecchiature elettroniche hanno reso disponibili nuovi strumenti per studiare le proprietà elettroniche di molecole e solidi inorganici. I dati così ottenuti hanno spesso permesso di perfezionare i modelli teorici. Ad esempio, la determinazione dello spettro di fotoelettroni del metano ha dimostrato non è del tutto appropriata la descrizione della molecola in base alla teoria del legame di valenza, che prevede legami a due centri e due elettroni tra carbonio e idrogeno. Risultati come questo hanno favorito la diffusione della teoria degli orbitali molecolari, basta su orbitali totalmente delocalizzati, che permettono di descrivere più accuratamente cosa succede rimuovendo un elettrone.
Tecniche comunemente utilizzate:
  • Cristallografia a raggi X, per determinare la struttura tridimensionale delle molecole.
  • Interferometria a doppia polarizzazione, per determinare conformazione e variazioni di conformazione nelle molecole
  • Metodi spettroscopici di vario tipo:
  • Metodi elettrochimici come la ciclovoltammetria e tecniche simili forniscono informazioni sulle proprietà redox dei composti.                                                                                                                                                          Le specie inorganiche che si possono trovare pure in natura sono poche; tutte le altre devono essere sintetizzate in impianti e laboratori chimici.
    I metodi di sintesi della chimica inorganica si possono classificare grossolanamente a seconda della volatilità o della solubilità dei reagenti utilizzati.[7] I composti inorganici solubili si preparano con metodi analoghi a quelli della sintesi organica. Composti che reagiscono con l'aria richiedono tecniche tipo linea Schlenk e glove box. Composti volatili e gas sono manipolati in linee da vuoto, costituite da tubi di vetro connessi tramite valvole, entro cui si può fare un vuoto di 0,1 Pa o meno; i composti vengono condensati usando azoto liquido, che ha punto di ebollizione 77 K, o altriliquidi criogeni. I solidi sono in genere preparati usando forni tubolari: i reagenti sono chiusi in contenitori, spesso fatti di silice fusa (SiO2 amorfo), ma a volte sono necessari materiali speciali come tubi saldati di tantalio e "navicelle" di platino.
    WIKIPEDIA
Pubblicato da alle

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