شیمی معدنی شاخه‌ای از دانش شیمی است که با کانی‌ها (مواد معدنی) و خواص آنها سروکار دارد.

شیمی معدنی شاخه بزرگی از علم شیمی است که بطور کلی شامل بررسی، تحلیل و تفسیر نظریه‌های خواص و واکنشهای تمام عناصر و ترکیبات آنها بجز هیدروکربنها و اغلب مشتقات آنهاست.

به عبارت دیگر می‌توان چنین اظهار نظر کرد که شیمی معدنی کلیه موادی که از جمله ترکیبات کربن نباشند، به استثنای اکسیدهای کربن و کربن دی‌سولفید را دربر می‌گیرد.

نگاه کلی

در شیمی معدنی در مورد گستره وسیعی از موضوعات از جمله: ساختمان اتمی، بلورنگاری(کریستالوگرافی)، انواع پیوندهای شیمیایی اعم از پیوندهای کووالانسی، یونی، هیدروژنی و ...، ترکیبات کئوردیناسیون و نظریه‌های مربوط، از جمله نظریه میدان بلور و نظریه اوربیتال مولکولی، واکنشهای اسید و باز، سرامیکها، تقارن مولکولی و انواع بخش‌های زیرطبقه الکتروشیمی(برقکافت، باتری،خوردگی، نیمه رسانایی و غیره) بحث می‌شود.

در باب اهمیت شیمی معدنی، ساندرسن چنین نوشته است:

در واقع بیشترین مباحث علم شیمی را دانش اتمها تشکیل می‌دهد و کلیه خواص مواد و ترکیبات، به ناچار ناشی از نوع اتمها و روشی است که با توجه به آن، اتمها به یکدیگر می‌پیوندند و مجموعه تشکیل می‌دهند و از طرف دیگر کلیه تغییرات شیمیایی متضمن بازآرایی اتمهاست. در این حال شیمی معدنی تنها بخشی از علم شیمی است که با توجه به آن می‌توان به صورتی ویژه، در باب مغایرتهای موجود در میان کلیه انواع اتمها بررسی نمود.

طبقه بندی مواد معدنی

در یک مفهوم گسترده، مواد معدنی را می‌توان در چهار طبقه تقسیم بندی نمود: عناصر، ترکیبات یونی، ترکیبات مولکولی و جامدات شبکه‌ای یا بسپارها.

عناصر: عناصر دارای ساختارها و خواص بسیار متفاوت هستند. بنابراین می‌توانند به یکی از صورتهای زیر باشند:

گازهای اتمی (Kr , Ar) و یا گازهای مولکولی (O2 , H2)

جامدات مولکولی (C6 , S8 , P4)

مولکولها و یا جامدات شبکه‌ای گسترش یافته (الماس، گرافیت)

فلزات جامد (Co , W) و یا مایع (Hg , Ca)

ترکیبات یونی: این ترکیبات در دما و فشار استاندارد معمولاً جامدند و عبارت‌اند از:

ترکیبات یونی ساده، مانند NaCl که در آب یا دیگر حلالهای قطبی محلول‌اند.

اکسیدهای یونی که در آب غیر محلول‌اند، مانند کلسیم اکسید (CaO) و اکسیدهای مختلط همچون اسپنیل (

MgAl2O4)، سیلیکاتهای مختلف مانند CaMg(SiO3)2 و ...

دیگر هالیدهای دوتایی، کاربیدها، سولفیدها و مواد مشابه. چند مثال عبارتست از: BN , GaAs , SiC , AgCl.

ترکیباتی که دارای یونهای چند اتمی (به اصطلاح کمپلکس) هستند، همچون Ni(H2O)62+ , Co(NH3)63+ , SiF62- .

ترکیبات مولکولی: این ترکیبات ممکن است جامد، مایع و یا گاز باشند و مثالهای زیر را دربر می‌گیرند:

ترکیبا دوتایی ساده همچون UF6 , OsO4 , SO2 , PF3 .

ترکیبات پیچیده فلزدار همچون RuH(CO2Me)(PPh3)3 , PtCl2(PMe3)2 .

ترکیبات آلی فلزی که مشخصاً پیوندهای فلز به کربن دارند، مانند Zr(Cn2C6H5)4 , Ni(CO)4 .

جامدات شبکه‌ای یا بسپارها: نمونه‌های این مواد شامل بسپارهای متعدد و متنوع معدنی وابررساناها است. فرمول نمونه‌ای از ترکیبات اخیر YBa2Cu3O7 است.

ساختارهای مواد معدنی

ساختار بسیاری از مواد آلی از چهار وجهی مشتق می‌شود. فراوانی آنها به این دلیل است که در مواد آلی ساده، بیشترین ظرفیت کربن و همچون بیشتر عناصر دیگری (به استثنای هیدروژن) که معمولاً به کربن پیوند می‌شوند، چهار است. اما اجسام معدنی وضعیت ساختاری بسیار پیچیده‌ای دارند، زیرا اتمها ممکن است خیلی بیشتر از چهار پیوند تشکیل دهند. بنابراین، در مواد معدنی اینکه اتمها پنج، شش، هفت، هشت و تعداد بیشتری پیوند تشکیل دهند، امری عادی است. پس تنوع شکل هندسی در مواد معدنی خیلی بیشتر از مواد آلی است.

ساختار مواد معدنی اغلب بر اساس تعدادی از دو وجهی‌های با نظم کمتر، نظیر دو هرمی با قاعده مثلث، منشور سه ضلعی و غیره و همچنین بر اساس شکلهای باز چند وجیهای منتظم یا غیر منتظم که در آنها یک یا چند راس حذف شده است، نیز مشاهده می‌شود.

انواع واکنشهای مواد معدنی

در بیشتر واکنشهای آلی می‌توانیم در مورد مکانیسمی که واکنش از طریق آن انجام می‌شود، بحث و بررسی کنیم، در صورتی که برای بسیاری از واکنشهای معدنی فهم دقیق مکانیسم غیر ممکن یا غیر ضروری است.

رابطه شیمی فیزیک و شیمی معدنی

در توجیه موجودیت مواد معدنی و در توصیف رفتار آنها، به استفاده از جنبه‌های خاصی از شیمی فیزیک، بخصوص ترمودینامیک، ساختارهای الکترونی اتمها، نظریه‌های تشکیل پیوند در مولکولها،سینتیک واکنش و خواص فیزیکی مواد نیاز داریم. بنابراین با استفاده از شیمی فیزیک می‌توان به ساختار اتمی و مولکولی، تشکیل پیوند شیمیایی و دیگر اصول لازم برای درک ساختار و خواص مواد معدنی پرداخت.

 

 

فهرست مطالب:

فصل اول: تقران در شیمی

مقدمه

تقارن در شیمی

عناصر و اعمال تقارن

تعریف عمل تقارن

تعریف عنصر تقارن

عنصرها و عمل های تقارنی

دوران حول یک محور متعارف

انتخاب محور اصلی

مرکز تقارن و عمل وارونگی

انعکاس در یک صفحه تقارن

محور دوران-انعکاس

عمل یکسانی

ضرب اعمال تقارنی

گروه نقطه ای تقارن

و...

فصل دوم: بررسی ساختار اتم

مدل موجی

خصلت دوگانگی ذره-موج تابش های الکترومغناطیسی

فرضیه دوبروی

اصل عدم قطعیت

معادله حرکت موجی الکترون

معادله موج

معادله شرودینگر در اتم هیدروژن

نمودار تابع موج شعاعی

نمودار تابع احتمال شعاعی

نمودار توابع موجی زاویه ای

حل معادله شرودینگر برای اتم های چند الکترونی

اصل آفبا

و...

فصل سوم: خواص تناوبی عنصرها

شرح مختصر جدول تناوبی

بار موثر هسته

نحوه محاسبه بار موثر هسته

روش اسلیتر

روش کلمانتی و ریموندی

تغییرات بار موثر هسته در طول جدول تناوبی

انرژی یونیزاسیون

محاسبه انرژی یونیزاسیون

الکترونگاتیوی

و...

فصل چهارم: پیوندهای شیمیایی

روش پیوند ظرفیتی

انواع هیبریداسیون

انرژی هیبریداسیون

شعاع کووالانسی اتم ها

تاثیر الکترونگاتیوی بر طول پیوند

انرژی پیوند

زاویه پیوندی

قاعده بنت

و...

فصل پنجم: جامدات یونی

ساختمان جامدات یونی

محاسبه مقادیر حد نسبت شعاع

عدد کوئوردیناسیون

ساختمان فشرده کره ها

طبقه بندی جامدات یونی

ساختمان سولفور روی

ساختمان سدیم کلرید

و...

فصل ششم: شیمی اسید و باز

تعاریف متفاوت از اسیدها و بازها

تعریف لوری-برونستد

تعریف آرنیوس

تعریف لاکس-فلود

تعریف لوییس

نمونه هایی از اسید لوییس

ترکیب آمفی پروتیک

اسیدهای چند پروتونی

اثر همتراز کنندگی حلال

تمایز در حلال های غیر آبی

قواعد پاولینگ

و...

فصل هفتم: شیمی توصیفی عناصر اصلی

هیدروژن

خواص شیمیایی هیدروژن

فلزهای قلیایی

فلزات قلیایی خاکی

خانواده بور

شیمی بور

خانواده کربن

و...