Anorganische Chemie

Die Mineralchemie , auch anorganische Chemie genannt (wörtlich übersetzt Englisch), ist der älteste Zweig der Chemie . Es umfasst die Untersuchung der verschiedenen einfachen Körper, die in der Natur existieren oder künstlich erhalten werden, und der Verbindungen, die sie durch Reaktion aufeinander erzeugen, mit Ausnahme der Kombinationen mit Kohlenstoff, die separat untersucht werden und Gegenstand der organischen Chemie sind . Jedoch können einige einfache Kohlenstoffverbindungen (bestimmte Kohlenstoffoxide , ionische Carbonaten , Bicarbonaten und Cyaniden , Carbiden , außer Kohlenwasserstoffen ) sind unter den anorganischen Verbindungen klassifiziert. Eine besondere Studie ist , dass die Eigenschaften und Synthese von künstlichen anorganischen Verbindungen , die umfassen Organometallverbindungen . Dieser Bereich erstreckt sich auf alle chemischen Verbindungen , mit Ausnahme der Myriaden von organischen Verbindungen , die auf einem beruhen Kohlenstoffgerüst und in der Regel CH - Bindungen aufweisen. Ursprünglich auf historischen Argumenten beruhend, ist diese Unterscheidung heutzutage alles andere als absolut, und insbesondere auf dem Gebiet der metallorganischen Chemie bestehen viele Überschneidungen . Die anorganische Chemie ist ein Forschungsgebiet, das derzeit aktiv ist und in den meisten Bereichen der chemischen Industrie Anwendung findet, insbesondere in den Bereichen Katalyse , Materialwissenschaften , Pigmente , Tenside , medizinische Chemie , Kraftstoffe , Chemie der Umwelt und Landwirtschaft.

Geschichte

Lange bevor die Alchemie untersucht wurde, wurden viele chemische Reaktionen mit anorganischen Verbindungen und deren Produkten im Alltag eingesetzt. Das Alter von Bronze und Eisenzeit entsprechen Perioden von Protohistoire , in der Metallurgie Bronze (generischer Name von Legierungen aus Kupfer und Zinn ) und Eisen dauerhaft und gegenüber bestimmten Unternehmen beeinflusst. Während der Eisenzeit sehen wir auch farbige Gläser aus SiO 2(Hauptverbindung aus Sand ) und Metalloxiden.

Transmutation Experimente erlauben Alchemisten neue Techniken für die Reinigung von chemischen Verbindungen, wie zu entwickeln , Destillation , Sublimation oder Kristallisation . Auf diese Weise werden viele anorganische Verbindungen isoliert, wie Vitriol (Schwefelsäure), Ätzen (Salpetersäure), Salzbrand (Salzsäure), Mondvitriol (Silbersulfat), Venuskristalle (Kupfernitrat) oder Königswasser (Salpetersäuremischung) Säure und Salzsäure, die Gold lösen können).

In 1675 , in seinem Cours de Chimie , Nicolas Lemery eingeführt , um die Unterscheidung zwischen „Mineralchemie“, die nur zum Zeitpunkt inerten Verbindungen beteiligt ist , und die organische Chemie , deren Stoffe kamen von Tieren und Pflanzen. Diese Unterscheidung, durch die Theorie der unterstützten Lebenskraft , blieb bis zur Mitte des XIX E  Jahrhundert. In 1828 führte das Experiment von dem deutschen Chemiker aus Friedrich Wöhler ein Ende durch die Umwandlung dieser Abgrenzung setzen Ammoniumcyanat , eine vermeintliche Mineral-, in eine organische Substanz, Harnstoff .

Prinzipien

Atomare Struktur

Molekulare Symmetrie

Molekulare Bindungen

Ionische Verbindungen Kovalente Bindung

Säuren und Basen

Oxidation und Reduktion

Charakterisierung anorganischer Verbindungen

Die Techniken der physikalisch-chemischen Charakterisierung anorganischer Verbindungen ermöglichen es, die Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften eines Moleküls oder eines Materials zu bestimmen. Einige dieser Techniken nutzen die Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie und dies über fast den gesamten Spektralbereich.

Beschreibende Chemie der Elemente


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1  H.     Hallo
2  Li Sein   B. VS NICHT Ö F. Geboren
3  N / A Mg   Al Ja P. S. Cl Ar
4  K. Es   Sc Ti V. Cr Mn Fe Co. Oder Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5  Rb Sr.   Y. Zr Nb Mo. Tc Ru Rh Pd Ag CD Im Sn Sb Sie ich Xe
6  Cs Ba   Das Diese Pr Nd Pm Sm Hätten G-tt Tb Dy Ho Er Tm Yb Lesen Hf Ihre W. Re Knochen Ir Pt Beim Hg Tl Pb Bi Po Beim Rn
7  Fr. Ra   Ac Th Pa U. Np Könnten Am Cm Bk Vgl Ist Fm Md Nein Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt. Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
8  119 120 * *    
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Elemente der Hauptgruppe

Wasserstoff

Der Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum und das dritte in der Erdkruste . Die stabile Form von Wasserstoff ist Diwasserstoff , H 2, die in der Troposphäre nur in Spuren vorhanden ist ( 0,5  ppm ). Diwasserstoff kann auf natürliche Weise als Fermentationsprodukt oder als Nebenprodukt der Biosynthese von Ammoniak hergestellt werden . Die elektronische Konfiguration von Wasserstoff 1w 1 ähnelt der elektronischen Valenzkonfiguration von Alkalimetall (ns 1 ). Das Element liegt hauptsächlich in drei Isotopenformen vor: leichter Wasserstoff oder Protium ( 1 H), Deuterium ( 2 H oder D) und Tritium ( 3 H oder T).

Die Eigenschaften von Wasserstoff sind sehr unterschiedlich und es kann sich um eine starke Lewis-Base mit dem Hydridion H - oder eine starke Lewis-Säure mit dem Proton H + handeln . Seine chemischen Eigenschaften sind reich und vielfältig und es kann mit praktisch allen anderen Elementen chemische Verbindungen bilden . Wasserstoffverbindungen können in drei Hauptklassen eingeteilt werden: kovalente Hydride (gebildet mit Elementen des p-Blocks wie CH 4, NH 3oder H 2 O.); das Hydridion (gebildet mit den meisten elektropositiven Elementen als LiHoder CaH 2); die interstitiellen Hydride der Übergangsmetalle (gebildet mit den vielen Elementen des d- und f- Blocks ). Eine letzte Klasse kann auch für Hydride in Metallkomplexen und Dihydrogenkomplexen hinzugefügt werden, die eine wichtige Rolle bei der Katalyse und Aktivierung von Dihydrogen spielen.

Alkali Metalle

Alkalimetalle sind die chemischen Elemente in der ersten Spalte des Periodensystems der Elemente mit einer Ausnahme. Das Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb), das Cäsium (Cs) und das Francium (Fr) gehören somit zu dieser Familie, nicht jedoch der Wasserstoff . Keines der Elemente in der Gruppe existiert als reines Element in der Natur, sie kommen nur in Form von Verbindungen vor .

Von allen Gruppen im Periodensystem zeigen die Alkalien deutlich den Effekt einer erhöhten Größe und Masse auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften. Somit nimmt die Reaktivität von Alkalimetallen mit der Ordnungszahl (Z) zu. Dies hängt hauptsächlich mit der Tatsache zusammen, dass sie leicht ihr einzelnes Elektron verlieren können, das sich auf der Valenzschale befindet, und somit +1 geladene Kationen bilden , wobei sich die Elektronenkonfiguration des Kations mit der von Edelgasen verbindet . Die Ionisierungsenergie nimmt ab, wenn man in der Gruppe absteigt, und es ist daher immer einfacher, das Valenzelektron zu eliminieren, wenn Z zunimmt, wobei dieses Elektron an chemischen Reaktionen teilnehmen kann.

Alkalimetalle neigen dazu, fast ausschließlich mit nichtmetallischen und Halogenelementen Ionenbindungen zu bilden . Sie liegen daher hauptsächlich in Form von Salzen oder Oxiden vor .

Metalle

Die chemische Reduktion der Alkalikationen zur Erzielung der metallischen Form ist schwierig, und das für ihre Herstellung am häufigsten verwendete Herstellungsverfahren ist die Elektrolyse der geschmolzenen Salze der chlorierten Verbindung. Alkalimetalle sind sehr reduzierend und die Reaktivität nimmt mit zunehmender Ordnungszahl zu; Der Sauerstoff , das Chlor und der Diwasserstoff können leicht reduziert werden. Die metallische Form der Alkalien muss in Öl aufbewahrt werden, um Reaktionen mit Sauerstoff zu vermeiden . Sie reagieren auch heftig mit Wasser unter Bildung von Wasserstoff und Alkalihydroxiden . Das Lithium ist in Gegenwart von Wasser am wenigsten reaktiv, während das Natrium heftig reagiert, sich das Kalium entzündet und Rubidium und Cäsium explodieren.

2 M ( s ) + 2 H 2 O.( l ) → 2 MOH( aq ) + H 2( g ) (wobei M ein Alkalimetall darstellt)

Die Alkalimetalle sind in flüssigem Ammoniak löslich und geben der Lösung eine intensive blaue Färbung. Diese Lösungen sind leitend und die Farbe und diese leitenden Eigenschaften werden durch die Solvatisierung des Valenzelektronen des Metalls erklärt. In reinem Ammoniak kann die Lebensdauer des solvatisierten Elektrons ziemlich lang sein (in der Größenordnung von 1% Zersetzung pro Tag). Diese Lösungen werden üblicherweise zur Herstellung verschiedener organischer und anorganischer Verbindungen verwendet.

Halogene

Alkalimetalle gehören zu den elektropositivsten Elementen im Periodensystem und neigen dazu, Ionenbindungen mit den elektronegativsten Elementen , Halogenen, zu bilden, um Salze zu bilden . Wenn man in die Gruppe fällt, wird die Bildungsenthalpie für Fluoride weniger negativ , für Chloride , Bromide und Iodide jedoch negativer .

Alkalimetallhalogenide sind farblose Feststoffe mit hohem Schmelzpunkt, die leicht aus Hydroxid ( MOH) hergestellt werden können) oder Carbonat ( M 2 CO 3) entsprechend in Gegenwart einer Salzsäure ( HX) und anschließend umkristallisiert . Mit Ausnahme von LiFAlle Alkalimetallhalogenide sind wasserlöslich. Sehr große Mengen an NaClund KClsind natürlich auf der Erde verfügbar und können durch Kristallisation gereinigt werden .

Oxide und Hydroxide

Alkalimetalle reagieren heftig mit Sauerstoff unter Bildung von Oxiden (M 2 O.), Peroxide (M 2 O 2) oder Superoxide (MO 2). Diese verschiedenen Oxidsorten reagieren mit Wasser unter Bildung einer Lewis-Säure-Base-Reaktion zum M + -Kation und zum Hydroxidion . Ozonderivate (MO 3) können aus dem Hydroxid MOH und Ozon O 3 bei niedriger Temperatur und den Sesquioxid- Derivaten (M 2 O 3) hergestellt werden) durch thermische Zersetzung von Superoxid MO 2entsprechend. Das Natriumperoxid wird üblicherweise in der Industrie als Bleichmittel und als starkes Oxidationsmittel verwendet.

Die Alkalihydroxide sind farblos und transparent. Sie reagieren mit Wasser zum Hydroxidanion und mit Kohlendioxid CO 2um das Carbonatanion CO zu bilden2−
3. Das Chlor-Alkali-Verfahren ermöglicht die industrielle Herstellung von Natriumhydroxid- NaOH, das als Reagenz in der chemischen Industrie und bei der Herstellung anderer anorganischer Verbindungen verwendet wird.

Koordinationskomplexe

Die Stabilität von Koordinationskomplexen nimmt entsprechend der Sequenz Li > Na > K > Rb > Cs ab . Das Lithium und Natrium sind harte Lewis-Säuren und bilden Coulomb-Wechselwirkungen mit harten Lewis-Basen wie Sauerstoff- oder Stickstoffliganden. Alkalimetalle bilden hauptsächlich stabile Komplexe mit makrocyclischen mehrwertigen Liganden wie Kronenethern oder Kryptanden .

Metallorganische Verbindungen

Die metallorganischen Verbindungen von Alkalimetallen reagieren schnell mit Wasser und sind pyrophor . Die Organolithiumgruppe ist die größte aller metallorganischen Verbindungen der Gruppe 1, und Organolithen werden in der organischen Synthese als Nucleophile verwendet . Alkyllithien werden in der Industrie auch zur Polymerisation von Alkenen zur Herstellung von Synthesekautschuk verwendet . Viele Organoalkaliverbindungen können hergestellt werden, indem Alkalimetalle mit verschiedenen Nichtmetallen kombiniert werden . Diese Verbindungen sind starke Basen und haben wichtige Anwendungen in der Synthesechemie, insbesondere zur Herstellung von metallorganischen Verbindungen .

Erdalkalimetalle

Erdalkalimetalle sind die chemischen Elemente in der zweiten Spalte des Periodensystems der Elemente . Das Beryllium (Be), das Magnesium (Mg), das Calcium (Ca), das Strontium (Sr), das Barium (Ba) und das Radium (Ra) gehören daher zu dieser Familie. Alle diese sind Silber in ihrer metallischen Form . Das Ionenmodell wird allgemein angewendet, um die Bindungen in chemischen Verbindungen von Erdalkalien zu beschreiben . In gewisser Weise ist Beryllium mit einem Metalloid verwandt, dessen Bindungen mit anderen Elementen einen gewissen Grad an Kovalenz aufweisen. Aufgrund der Leichtigkeit, mit der Atome dieser Elemente ihre beiden Valenzelektronen verlieren, beträgt der Oxidationsgrad von Erdalkalien in chemischen Verbindungen +2. Sie sind starke Reduktionsmittel , aber dennoch schwächer als die Alkalien.

Gruppe 13

Die Elemente der Gruppe 13 sind die chemischen Elemente der dreizehnten Spalte des Periodensystems der Elemente . Das Bor (B), das Aluminium (Al), das Gallium (Ga), das Indium (In) und das Thallium (Tl) gehören daher zu dieser Familie und haben verschiedene chemische und physikalische Eigenschaften.

Bor kann als von dieser Familie getrennt angesehen werden, da es Verbindungen vom Clustertyp oder polymere Verbindungen bilden kann, an denen Wasserstoffatome, Metalle und Kohlenstoff beteiligt sind. Der metallische Charakter der Elemente nimmt beim Abwärtsbewegen der Säule aufgrund der Zunahme des Ionenradius und der Abnahme der Ionisierungsenergie zu . Infolgedessen nimmt der kovalente Charakter der Bindungen der Verbindungen der Gruppe 13 von Bor zu Thallium ab, und daher nimmt der ionische Charakter der Bindungen zu. Alle diese können in der Oxidationsstufe +3 Hydride , Oxide und Halogenide bilden . Der + 1-Zustand wird in der Säule stabil, insbesondere bei Thallium.

Gruppe 14

Der Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Germanium (Ge), das Zinn (Sn) und Blei (Pb) sind Elemente der 14 - ten  Spalte des Periodensystems . Die physikochemischen Eigenschaften dieser Elemente variieren stark, wobei Kohlenstoff als Nichtmetall sowie Silizium betrachtet wird, wobei Germanium ein Metalloid ist und Zinn und Blei in die Familie der Metalle aufgenommen werden . Diese Diskontinuität in der Säule kann verstanden werden, wenn man die Zunahme des Atomradius und die Abnahme der Ionisierungsenergie beim Wechsel von Kohlenstoff zu Blei betrachtet.

Die Kohlenstoffchemie wird hauptsächlich in der organischen Chemie entwickelt . Alle Elemente der Gruppe 14 können mit Wasserstoff , Sauerstoff , Halogenen und Stickstoff einfache binäre Verbindungen bilden . Kohlenstoff und Silizium können mit Metallen auch Carbid- und Silizidverbindungen bilden. In Bezug auf Zinn und Blei kann festgestellt werden, dass Organozinnverbindungen auf der Basis von Zinn und Organoplombverbindungen als Fungizide und Pestizide verwendet werden .

Gruppe 15

Elemente der Gruppe 15 oder Pnictogene sind die chemischen Elemente in der fünfzehnten Spalte des Periodensystems der Elemente . Der Stickstoff (N), Phosphor (P), das Arsen (As), das Antimon (Sb) und Wismut (Bi) gehören daher zu dieser Familie. Die chemischen Eigenschaften der Elemente der Gruppe 15 variieren stark, insbesondere zwischen Stickstoff und seinen Kongeneren, da dieser im Allgemeinen eine geringere Koordination aufweist und als einziger unter normalen Temperatur- und Temperaturbedingungen in Form eines gasförmigen zweiatomigen Moleküls vorliegt. Druck . Die Eigenschaften dieser Elemente sind daher in Bezug auf Atomradien und elektronische Konfigurationen schwieriger zu erklären . Obwohl häufig mit Phosphor, Arsen und Antimon gefunden, kann die Oxidationsstufe +5 nur für Stickstoff mit Sauerstoff und Fluor erreicht werden. Für Wismut ist die Oxidationsstufe +3 am stabilsten.

Die Elemente der Gruppe 15 bilden mit vielen Elementen binäre Verbindungen. Stickstoffhaltige Verbindungen sind reichlich vorhanden, und wir können in dieser Familie N 3 -Nitride , Stickhydride (wie NH 3) findendas N 2 H 4oder NH 2 OH), Stickoxide (wie N 2 O.oder die NO) oder Oxosäuren (wie ONOOHoder HNO 2). Fast alle Stickstoffverbindungen können auch als Liganden dienen .

Chalkogene Halogen Edelgase

Die Edelgase sind die chemischen Elemente der achtzehnten Spalte des Periodensystems der Elemente . Das Helium (He), das Neon (Ne), das Argon (Ar), das Krypton (Kr), das Xenon (Xe) und das Radon (Rn) gehören daher zu dieser Familie und existieren in dem in der Form natürlichen Zustand von einatomigen Gasen . Sie bilden eine Familie von Elementen, die a priori sehr wenig reaktiv sind, da sie mit einer vollständigen Valenzschicht kein Valenzelektron haben , um eine chemische Bindung zu bilden . Daraus folgt, dass diese Elemente eine hohe Ionisierungsenergie und eine elektronische Affinität von praktisch Null aufweisen.

Aufgrund dieser geringen Reaktivität wurden bisher nur wenige anorganische Verbindungen charakterisiert. Seit den 1960er Jahren Xenon hat sich gezeigt, bilden stabile Koordination mit Komplexen Fluor und Sauerstoff , der erste Komplex isoliert Wesen Xenonhexafluoroplatinat Xe + (PtF 6 ) -im Jahr 1962 . Die überwiegende Mehrheit der synthetisierten Edelgasverbindungen wurde aus Xenon hergestellt.

Übergangsmetalle

Erste Serie Zweite und dritte Serie

Lanthaniden

Actinides

Die Familie der Aktiniden besteht aus 15 chemischen Elementen , darunter ein Aktinium (Ac), das Thorium (Th), das Protaktinium (Pa), das Uran (U), das Neptunium (Np), das Plutonium (Pu) und das Americium ( Am), das Curium (Cm), das Berkelium (Bk), das California (Cf), das Einsteinium (Es), das Fermium (Fm), das Mendelevium (Md), das Nobelium (No) und das Lawrencium . Die Familie hat ihren Namen von Actinium , dem ersten Element der Familie . Die mit Aktiniden verbundene Radioaktivität konnte keine sehr gründlichen Studien zu dieser Familie ermöglichen, und die Elemente des Familienendes sind nur in sehr geringen Mengen verfügbar. Die frühen Elemente der Familie, insbesondere Uran und Plutonium , sind jedoch aufgrund ihres Einsatzes in Kernkraftwerken von großer Bedeutung .

Die chemischen Eigenschaften von Aktiniden zeigen nicht die gleiche Gleichmäßigkeit, die in Lanthaniden in der gesamten Familie zu finden ist . Wie die Lanthanoide haben die Actiniden große atomare und ionische Radien , die diese Elemente erlauben eine bieten hohe Koordination . Actiniden sind gegenüber Halogenen und Chalkogenen sehr reaktiv . Die gebräuchlichen Nuklide von Thorium und Uran weisen nur eine geringe Radioaktivität auf, so dass ihre chemischen Eigenschaften gut untersucht werden konnten. Die Uranyl - Kation in besonderen Formen Komplexe mit zahlreichen Spendern - Liganden .

Katalyse

Ein Katalysator ist eine Substanz, die die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht, ohne selbst verbraucht zu werden. Katalysatoren sind in der Natur, in der Industrie und in Laboratorien weit verbreitet. Die industrielle Herstellung von Schwefelsäure oder Ammoniak erfolgt zum Beispiel nach katalytischen Verfahren. Katalysatoren spielen auch eine Rolle bei der Kontrolle der Umweltverschmutzung, wie im Fall von Katalysatoren in Fahrzeugen oder bei der Verbesserung industrieller Prozesse. Es ist anzumerken, dass in der Industrie die verwendeten Katalysatoren praktisch alle anorganischer Natur sind.

Es können zwei Arten der Katalyse ins Auge gefasst werden: homogen oder heterogen . Bei der homogenen Katalyse bilden der Katalysator und die Reaktanten nur eine Phase , während sich bei der heterogenen Katalyse der Katalysator in einer anderen Phase befindet als die Reaktanten und die Produkte der katalysierten Reaktion. Beide Formen haben ihre Vor- und Nachteile: Für die heterogene Katalyse kann der Katalysator leicht von den Reaktanten und Produkten getrennt werden, aber die Reaktionen erfordern tendenziell hohe Temperaturen und Drücke und weisen eine geringe Selektivität auf; Umgekehrt können für eine homogene Katalyse die Reaktionen bei niedrigeren Temperaturen und Drücken durchgeführt werden und sind selektiver, aber die Trennung des Katalysators und der Reaktanten und der Produkte am Ende der Reaktion ist ein Hauptnachteil. In einer homogenen Phase können verschiedene Reaktionen katalysiert werden, beispielsweise die Metathese von Alkenen , die Hydrierung von Alkinen , die Hydroformylierung oder die Carbonylierung von Methanol . Die Reaktionen, die in der heterogenen Phase katalysiert werden können, sind beispielsweise die Hydrierung , die Synthese von Ammoniak oder die Umwandlung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff in Kohlenwasserstoffe .

Festkörper- und Materialchemie

Nanomaterialien, Nanowissenschaften und Nanotechnologie

Ein Nanomaterial ist ein Material, dessen Dimension in der Größenordnung von 1 bis 100  nm liegt , oder ausschließlich ein Material dieser Dimension, das Eigenschaften aufweist, die sowohl auf molekularer Ebene als auch im Bulk-Zustand fehlen. Nanomaterialien werden seit mehreren Jahrhunderten verwendet, beispielsweise zur Herstellung von kolloidalem Gold , um einen roten Farbstoff herzustellen, der insbesondere zum Tönen von Glas verwendet wird. Die Untersuchung von Nanomaterialien hat insbesondere von der Entwicklung der lokalen Sondenmikroskopie in den 1980er Jahren profitiert , die es ermöglicht, Materie auf atomarer Ebene zu beobachten. Anorganische Chemie ist in Nanotechnologien allgegenwärtig, sei es beispielsweise in metallischen Nanopartikeln oder in Quantenpunkten . Es können verschiedene Präzedenzfälle für die Synthese verwendet werden, beispielsweise Top-Down- und Bottom-Up-Ansätze oder chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung.

Industrielle anorganische Chemie

Die industrielle anorganische Chemie ist ein wichtiger Zweig der chemischen Industrie und umfasst viele verschiedene Anwendungen wie Mineraldünger , Baumaterialien oder Glas und Emaille . Darüber hinaus werden in diesem Industriezweig viele Grundprodukte der organisch-chemischen Industrie wie Mineralsäuren , Alkalien , Oxidationsmittel und Halogenverbindungen hergestellt. Jüngste Entwicklungen bei integrierten Schaltkreisen oder optischen Fasern sind ebenfalls auf die anorganische chemische Industrie zurückzuführen.

Anorganische Chemie biologischer Systeme

Die bioanorganische Chemie befasst sich mit der Untersuchung metallischer Spezies in biologischen Systemen. Lebende Organismen nutzen die chemischen und biologischen Eigenschaften, die mit den Wechselwirkungen zwischen Metallionen und biologischen Liganden verbunden sind, auf vielfältige Weise, insbesondere im Hinblick auf die enzymatische Katalyse , die Signalübertragung von Zellen oder die Regulation der Genexpression .

Transport

Die Bindung, der Transport und die Verwendung des Sauerstoffmoleküls O 2in lebenden Organismen sind von einer dritten Metalloproteinen besitzen anorganische Cofaktoren . In den meisten Tieren und Pflanzen fängt Hämoglobin Sauerstoff in der Lunge (oder in den Kiemen) ein und transportiert ihn zu Geweben, wo er vom Myoglobin gespeichert wird . Diese beiden Proteine werden genannt Hämoproteine , da sie einen Co - Faktor des enthalten Häm - Typen , das die Fixierung von Sauerstoff ermöglicht. Die Weichtiere und Arthropoden selbst verwenden ein Protein, um Kupfer , das Schlüsselloch , in Abwesenheit von O 2 farblos zu machenaber intensive blaue Farbe in Gegenwart von O 2. Seltener ist Hemerythrin ein zweikerniger Nicht-Häm-Eisen- Cofaktor , der in einigen Meereswürmern vorkommt.

Der Fluss von K + - und Na + -Ionen durch die Membranen wird durch Ionenkanäle bereitgestellt . Diese Kanäle sind Membranproteine und sind für die elektrische Leitung im Nervensystem verantwortlich und funktionieren passiv. Die Natrium-Kalium-Pumpe ist ein Transmembranprotein , das den Abbau von Adenosintriphosphat (ATP) zu Adenosindiphosphat (ADP) nutzt , um die Konzentration von K + - und Na + -Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle zu steuern . Dieses Protein spielt eine wesentliche Rolle bei der Aufrechterhaltung des elektrochemischen Potentials der Membran .

Die Assimilation von Eisen durch Organismen ist aufgrund der Unlöslichkeit von Fe (III), der stabilen Oxidationsstufe der meisten Mineralien, schwierig . Die Evolution hat komplexe chemische Systeme zum Einfangen und Regulieren von Eisen im Körper entwickelt. Beim Einfangen handelt es sich um Liganden, die als Siderophore bezeichnet werden . Das Eisen wird dann durch Transferrine transportiert und in Ferritinen , zwei Nicht-Häm-Proteinen, gespeichert .

Elektronische Übertragung

Drei Arten von Metalloproteinen können für den elektronischen Transfer in biologischen Systemen identifiziert werden. Die Cytochrome sind Hämproteine, die am Elektronentransfer in der Atmungskette der Mitochondrien beteiligt sind, und bestehen aus einem Porphyrin , das mit Metallkationen aus Eisen oder Kupfer komplexiert ist. Die Eisen-Schwefel-Proteine haben Eisen-Schwefel-Cluster in ihrer Struktur und sind auch an Redoxreaktionen der Atmungskette beteiligt. Die dritte Art von Protein ist die Familie der blauen Kupferproteine, zu der auch Plastocyanin gehört, das an der Photosynthese beteiligt ist . Es sollte auch beachtet werden, dass Elektronentransfers in Proteinen mit chemischen Prozessen wie Ionentransfers und insbesondere Protonentransfers gekoppelt sind .

Katalytische Prozesse

Enzyme ermöglichen die Katalyse in biologischen Systemen, indem sie nicht nur die Reaktionsgeschwindigkeit steuern, sondern dank der Tertiärstruktur der Polypeptidkette auch bestimmte Geometrien in ihrem Übergangszustand fördern . Die Enzymkatalyse ist für lebende Organismen für die spezifische Beschleunigung der Reaktionen, die für den Metabolismus und die Biosynthese von Biomolekülen erforderlich sind, aus denen die. Das Protein bildet die Grundstruktur von Enzymen ( Apoenzym ), zu denen eine prothetische Gruppe hinzugefügt werden muss, die ein komplexiertes Metallion sein kann oder nicht.

Die Säure-Base-Katalyse durch Enzyme ermöglicht lokal produzierte Ionenhydroxide HO -oder Hydronium H 3 O +unter pH- Bedingungen, die von biologischen Systemen nur selten erreicht werden. Lebende Organismen verwenden hauptsächlich Zink für diese Art der Katalyse, da es ein reichlich vorhandenes Metall ist, das kaum oxidierbar oder reduzierbar ist, starke Bindungen mit Aminosäuren bildet und exogene Liganden wie H 2 O binden kann. Beispiele für diese Art von Enzym sind Carboanhydrase , Carboxypeptidase oder alkalische Phosphatase . Das Mangan (im Rubisco ) oder Eisen (in der sauren Phosphatase oder Aconitase ) werden auch in der Säure-Base-Katalyse verwendet.

Eine bestimmte Anzahl von Enzymen ermöglicht es auch, kleine Moleküle auf Sauerstoffbasis wie H 2 O zu aktivieren, H 2 O 2oder O 2. Die Peroxidasen zersetzen die Peroxide , und z. B. haben Meerrettichperoxidase oder Cytochrom- C- Peroxidase ein Häm der prothetischen Gruppe, um diese Reaktion zu katalysieren. Die Oxidasen katalysieren die Reduktion von Disauerstoff O 2in Wasser oder in Wasserstoffperoxid H 2 O 2. Die Cytochrom-C-Oxidase hat prothetische Gruppen auf der Basis von Eisen und Kupfer , und dieses Enzym ist die Basis für alle höheren Lebensformen. Die Oxygenase (wie Cytochrom P450 ) katalysiert die Insertion von Sauerstoffatomen in organische Substrate. Schließlich die enzymatische Produktion von O 2Bei der Photosynthese handelt es sich um viele Metalloenzyme und insbesondere um das Photosystem II, bei dem Wasser dank einer komplexen katalytischen Stelle aus Manganatomen und einem Kupferatom zu Disauerstoff oxidiert wird.

Stickstoff N 2und Wasserstoff H 2kann durch Enzyme auf Eisensulfidbasis reduziert werden. Die Stickstoffase wandelt N 2 umin NH 3und sein aktives Zentrum besteht aus einem Cluster aus Eisensulfid und einem Molybdänatom (das in einigen Fällen durch Vanadium oder Eisen ersetzt werden kann ). Die Hydrogenase- Familie ermöglicht die reversible Reduktion von H 2in H +und das aktive Zentrum besteht aus Schwefel und Eisen für [FeFe] -Hydrogenase und Schwefel, Eisen und Nickel für [NiFe] -Hydrogenase.

Biogeochemische Kreisläufe

Die Assimilation bestimmter chemischer Elemente durch die Biosphäre ist Teil der biogeochemischen Kreisläufe . Diese Zyklen sind Transport- und Transformationsprozesse chemischer Elemente zwischen der Geosphäre , der Atmosphäre , der Hydrosphäre und der Biosphäre . In lebenden Organismen umfassen diese Zyklen Metalloproteine , die diese chemischen Elemente effizient fixieren, transportieren und transformieren können. Ein Lehrbuchfall ist der Stickstoffkreislauf , der insbesondere die Fixierung von Stickstoff N 2 ermöglichtatmosphärisch durch Bakterien, die in Böden vorhanden sind und Enzyme enthalten , die Eisen , Kupfer und Molybdän enthalten .

Biomineralisierung

In der Natur produzieren biologische Organismen mineralisierte Gewebe wie Knochen, Zähne oder Muscheln. Die Biomineralisierung ist der Prozess der Produktion dieser anorganischen Mineralien durch lebende Organismen. Zum Beispiel Calciumcarbonat CaCO 3ist in Form von Calcit oder Aragonit in den Schalen und Eierschalen vorhanden , Calciumphosphat in Form von Hydroxylapatit ist der Hauptbestandteil von Knochen und Zähnen, und magnetotaktische Bakterien synthetisieren Kristalle von Eisenoxiden vom Magnetit- Typ oder von Eisen Sulfide vom Greigit- Typ Fe 3 S 4für ihre magnetischen Eigenschaften, um sich entlang der Linien eines Magnetfeldes zu orientieren und zu bewegen .

Medizin

Anorganische und chelatisierende Komplexe spielen in der Pharmakologie eine wichtige Rolle . Eine der Hauptherausforderungen in diesem Bereich besteht darin, die Wirkungsweise des Arzneimittels auf molekularer Ebene zu bestimmen , wobei zu berücksichtigen ist, dass ein verabreichtes Arzneimittel nicht der reaktiven Spezies am aktiven Zentrum entspricht , und dies gilt insbesondere für Metallkomplexe, die sind oft empfindlicher gegenüber Hydrolyse als organische Moleküle . Bestimmte Metalle, die in lebenden Organismen nicht vorhanden sind, wie Platin , Gold , Ruthenium oder Wismut, können ebenfalls pharmakologische Wirkungen haben. Die anorganische Chemie ist auf verschiedenen Ebenen in der Pharmakologie beteiligt, beispielsweise bei der Behandlung von überschüssigem Eisen im Körper durch von Siderophoren inspirierte Liganden und bei bestimmten Krebsarten mit Cisplatin (cis- [PtCl 2 (NH 3 ) 2)]) als Inhibitor der DNA-Replikation , Verwendung von Goldkomplexen gegen rheumatoide Arthritis oder Verwendung von Metallkomplexen auf Gadoliniumbasis als Kontrastmittel in der medizinischen Bildgebung .

Toxizität und Verschmutzung

Metallische Spurenelemente

Der Begriff der metallischen Spurenelemente ersetzt tendenziell den Begriff der Schwermetalle, der ein schlecht definiertes Konzept war und bleibt, weil er wirklich schwere toxische Metalle mit anderen assoziiert, die dies weniger sind. Einige dieser metallischen Spurenelemente sind toxisch oder über einen bestimmten Schwellenwert hinaus toxisch oder radioaktiv ( Radionuklide ). Metalle unterscheiden sich von toxischen organischen Verbindungen dadurch, dass sie nicht in ungiftige Formen zerlegt werden können, obwohl sie letztendlich in unlösliche Formen umgewandelt werden können und daher biologisch nicht mehr verfügbar sind. Metallische Spurenelemente kommen in Luft, Wasser und Böden vor.

Wir betrachten hauptsächlich fünf Elemente, die aufgrund ihrer Toxizität und ihrer großräumigen Verteilung die wichtigsten Gefahren für die Umwelt darstellen: Quecksilber (Hg), Blei (Pb), Cadmium (Cd), Chrom (Cr) und Arsen (As). Der Begriff der chemischen Speziation ist unter diesem Gesichtspunkt wichtig, da er es ermöglicht, die verschiedenen möglichen Formen jedes Elements in einer gegebenen Umgebung zu unterscheiden. Diese Elemente sind in ihrer metallischen Form (M °) nicht besonders giftig , mit Ausnahme von Quecksilberdämpfen, die hochgiftig sind. Die kationischen Formen dieser Metalle sind gefährlich, insbesondere wenn sie an kurze Kohlenstoffketten gebunden sind . Wir können auch die starke Affinität dieser Kationen zu Schwefel feststellen, der in vielen Enzymen vorhanden ist, die Stoffwechselreaktionen im menschlichen Körper steuern . Die Metall-Schwefel-Bindung verändert die Aktivität dieser Enzyme, was bei Lebewesen zu Gesundheitsstörungen führt.

Bestimmte Substanzen können auch Biomagnifikationsphänomene aufweisen  : Der Gehalt an metallischen Spurenelementen steigt in jeder Phase des Nahrungsnetzes (Nahrungskette) an. Dies betrifft hauptsächlich Quecksilber. Viele aquatische Arten können Metalle wie Austern und Muscheln biokonzentrieren , deren Quecksilber- oder Cadmiumgehalt 100.000-mal höher sein kann als der im Wasser, in dem sie leben. Daher stammen die meisten vom Menschen aufgenommenen Metalle eher aus der Nahrung als aus dem Trinkwasser.

Luftverschmutzung

Die Stickoxide und der Schwefel sind Hauptschadstoffe der Atmosphäre. Stickoxide NO x entstehen hauptsächlich bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe bei hohen Temperaturen, und Holzheizgeräte verursachen mehr Emissionen pro erzeugter Energieeinheit als Verbrennungsanlagen, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden. Die Kohle von schlechter Qualität und Öl enthalten Schwefelverbindungen und erzeugen während der Verbrennung Schwefeldioxid SO 2 , aber Schwefeldioxid in der Atmosphäre stammt hauptsächlich aus Vulkanausbrüchen . Der saure Regen ist die direkte Folge dieser beiden Schadstofffamilien.

In vielen städtischen Zentren kommt es aufgrund sehr hoher Ozonwerte , einem als Smog bekannten Phänomen, zu Luftverschmutzungserscheinungen . Das troposphärische Ozon O 3 , dh der Ozonspiegel der Atmosphäre, ist ein sekundärer Schadstoff . Es wird nicht direkt in die Luft abgegeben, sondern resultiert aus komplexen photochemischen Reaktionen mit Vorläufern , hauptsächlich Stickoxiden aus Autoabgasen. Der Smog ist nicht das einzige Problem der Luftverschmutzung durch Automobile. Andere Schadstoffe wie Blei stammen aus der Verbrennung von Benzin . Blei in Tetraethyl- Blei-Form wurde als Antiklopfmittel durch Erhöhen der Oktanzahl verwendet . Die Entwicklung von bleifreiem Benzin in den 1970er Jahren verringerte die durch Bleivergiftung verursachten Belästigungen .

Wasser- und Bodenverschmutzung

Anorganische Schadstoffe in Wasser und Boden stammen hauptsächlich aus menschlichen Aktivitäten wie Mineraldüngern auf Phosphatbasis (PO)3−
4) und Nitrate (NO-
3) oder metallische Spurenelemente, die durch Entwässerung von Säureminen , städtische Abflüsse und industrielle Aktivitäten freigesetzt werden .

Radioaktive Verschmutzung

Radioaktive Verschmutzung entsteht durch einen Sprühnebel, einen Unfall oder eine nukleare Explosion, bei der sich Radioisotope ausbreiten. Diese Radioisotope können natürlichen Ursprungs sein, wie Uran 238 , Uran 235 oder Thorium 232 , oder aufgrund menschlicher Aktivitäten, wie radioaktiver Abfälle aus Forschungs-, Industrie- oder medizinischen Laboratorien, Abfälle aus der Kernenergieerzeugung oder Atombomben und experimentelle nukleare Explosionen . Radioaktive Verschmutzung ist für den Menschen schädlich, da Radioisotope durch Emission ionisierender Strahlung zerfallen können, die die Zellbestandteile lebender Organismen schädigt.

Literatur in der anorganischen Chemie

Nachschlagewerke

Wissenschaftliche Veröffentlichungen

Die Hauptquellen in der anorganischen Chemie können gemäß den Journal Citation Reports in rund vierzig wissenschaftlichen Fachzeitschriften zusammengefasst werden , zu denen rund zehn allgemeinwissenschaftliche Fachzeitschriften in der Chemie wie Angewandte Chemie , Chemical Communications oder Journal of the American Chemical Society hinzugefügt werden müssen . Einige Artikel erscheinen auch jedes Jahr in den allgemeinen wissenschaftlichen Fachzeitschriften Nature and Science . In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten internationalen wissenschaftlichen Fachzeitschriften aufgeführt, die sich auf anorganische Chemie spezialisiert haben.

Wissenschaftliche Hauptzeitschriften in der anorganischen Chemie
Titel Editor Jahr der Schöpfung Einflussfaktor
(2015)
Angewandte metallorganische Chemie John Wiley & Sons 1987 2.452
Coordination Chemistry Reviews Elsevier Science 1973 12.994
Dalton-Transaktionen Royal Society of Chemistry 1966 4,177
Europäisches Journal für Anorganische Chemie John Wiley & Sons 1998 2.686
Anorganische Chemie American Chemical Society 1962 4.820
Anorganische Chemie Kommunikation Elsevier Science 1998 1,762
Inorganica Chimica Acta Elsevier Science 1967 1,918
Journal of Biological Inorganic Chemistry Springer Verlag 1996 2,495
Journal of Inorganic Biochemistry Elsevier Science 1971 3,205
Journal of Organometallic Chemistry Elsevier Science 1963 2.336
Zeitschrift für Festkörperchemie Elsevier Science 1969 2,265
Metallorganika American Chemical Society 1982 4,186
Polyeder Elsevier Science 1955 2.108
Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie John Wiley & Sons 1892 1,261

Die sekundären Quellen sind wissenschaftliche Veröffentlichungen, in denen Übersichtsartikel zur anorganischen Chemie veröffentlicht werden, hauptsächlich Übersichten zur Koordinationschemie , Übersichten der Chemical Society und Chemical Reviews . Einige der Hauptpublikationen, die wissenschaftliche Ergebnisse präsentieren, enthalten in jeder Ausgabe auch Zeitschriftenartikel. Die Sammlung Anorganische Synthesen ist eine Reihe von Büchern, die seit 1939 veröffentlicht wurden und detaillierte Verfahren zur Synthese anorganischer Verbindungen veröffentlichen sollen.

Nobelpreis für Chemie im Bereich der anorganischen Chemie

Jahr Preisträger Staatsangehörigkeit Preisgekrönte Arbeit
1904 William Ramsay Vereinigtes Königreich In Anerkennung der Entdeckung inerter gasförmiger Elemente in der Luft und der Bestimmung ihrer Position im Periodensystem
1906 Henri Moissan Frankreich In Anerkennung der großen Verdienste, die er durch die Entdeckung von Fluor und seinen Eigenschaften erbrachte und der Wissenschaft den nach ihm benannten Elektroofen zur Verfügung stellte
1911 Marie Curie Frankreich Für die Verdienste um die Weiterentwicklung der Chemie durch seine Entdeckung der Elemente Radium und Polonium , für die Isolierung von Radium und für die Untersuchung der Natur und der Verbindungen dieses bemerkenswerten Elements
1913 Alfred Werner schweizerisch Für seine Arbeiten zu den Bindungen von Atomen in Molekülen, mit denen er frühere Studien neu beleuchtete und neue Forschungsbereiche eröffnete, insbesondere in der Mineralchemie
1918 Fritz Haber  Deutschland Zur Synthese von Ammoniak aus seinen Elementen

NB: Preis 1919 und 1920 verliehen

1951 Edwin McMillan und
Glenn Theodore Seaborg 		Vereinigte Staaten Vereinigte Staaten
 Für ihre Entdeckungen in der Chemie transuranischer Elemente
1954 Linus Carl Pauling Vereinigte Staaten Für seine Forschungen zur Natur der chemischen Bindung und ihren Anwendungen zur Bestimmung der Struktur komplexer Substanzen
1963 Karl Ziegler und
Giulio Natta 		Westdeutschland Italien
 Für ihre Entdeckungen auf dem Gebiet der Chemie und der Hochpolymertechnologie
1964 Dorothy Crowfoot Hodgkin Vereinigtes Königreich Zur Bestimmung der Struktur wichtiger biologischer Substanzen durch Röntgentechniken
1966 Robert Sanderson Mulliken Vereinigte Staaten Für seine grundlegende Arbeit über chemische Bindungen und die elektronische Struktur von Molekülen nach der Molekülorbitalmethode
1973 Ernst Otto Fischer und
Geoffrey Wilkinson 		Westdeutschland Vereinigtes Königreich
 Für ihre Pionierarbeit, die unabhängig an metallorganischen Verbindungen, sogenannten Sandwichverbindungen , durchgeführt wird
1976 William Lippenkamm Vereinigte Staaten Für seine Arbeiten zur Struktur von Boranen , die ein neues Licht auf die chemische Bindung werfen
1983 Henry Taube Vereinigte Staaten Für seine Arbeiten zu den Mechanismen von Elektronentransferreaktionen , insbesondere in Metallkomplexen
1985 Herbert Aaron Hauptman und
Jerome Karle 		Vereinigte Staaten Vereinigte Staaten
 Für ihre bemerkenswerten Leistungen bei der Entwicklung direkter Methoden zur Bestimmung von Kristallstrukturen
1996 Robert Curl ,
Richard Smalley und
Harold Kroto 		Vereinigte Staaten Vereinigte Staaten Vereinigtes Königreich

 Für ihre Entdeckung von Fullerenen
1998 Walter Kohn ¹ und
John A. Pople ² 		Vereinigte Staaten Vereinigtes Königreich
 ¹ Für seine Entwicklungen der Dichtefunktionaltheorie

² Für die Entwicklung von Berechnungsmethoden in der Quantenchemie

2001 William S. Knowles ¹,
K. Barry Sharpless ² und
Ryoji Noyori ¹ 		Vereinigte Staaten Vereinigte Staaten Japan

 ¹ Für ihre Arbeit zu Hydrierungsreaktionen mit chiraler Katalyse

² Für seine Arbeit zu Oxidationsreaktionen in der chiralen Katalyse

2005 Yves Chauvin ,
Robert Grubbs und
Richard R. Schrock 		Frankreich Vereinigte Staaten Vereinigte Staaten

 Für ihre Arbeit zur Entwicklung der Metathesemethode in der organischen Synthese
2010 Richard Heck ,
Ei-ichi Negishi und
Akira Suzuki 		Vereinigte Staaten Japan Japan

 Für durch Palladium in der organischen Synthese katalysierte Kupplungsreaktionen
2016 Jean-Pierre Sauvage
James Fraser Stoddart
Bernard L. Feringa 		Frankreich Vereinigtes Königreich Niederlande

 Für das Design und die Synthese molekularer Maschinen

Anmerkungen und Referenzen

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Siehe auch

Literaturverzeichnis

Zum Thema passende Artikel

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