无机化学 （化学领域的分支学科）

简介

无机化学的分支主要包括无机合成化学、配位化学、原子簇化学、生物无机化学、核化学和放射化学与元素化学。无机化学中的无机材料通常是无机物单独或混合其他物质制成的材料，如硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、氧化物、氮化物和碳化物等原料经一定的工艺制备而成材料，无机物包括所有化学元素和它们的化合物(大部分的碳氢化合物及其衍生物除外)。

无机化学已在医药、食品、健康和农业等领域上应用，如无机药物生理氯化钠溶液在临床上可治疗出血过多、严重腹泻等引起的脱水症；盐卤(主要成分为氯化镁和氯化钙)可用于豆制品、稀奶油和果酱的制作；H元素是是构成人体组织和维持正常生命活动的必需元素；无机肥料中的尿素、钙镁磷肥等会促进柑橘的生产。

概念

在二次世界大战前，无机化学主要是描述许多互不关联的现象、性质和制备方法，未有完整和成熟的理论。第二次世界大战后，这种情况得到改善。现代无机化学是研究无机化合物的组成、性质、结构和反应的科学，已经形成了较完整的体系。无机化学反应的研究，包括化学平衡和反应热等热力学方面的研究，动力学和反应机制的研究，结构方面的研究，广义地说，还包括对氧化态、配位数、立体化学、分子构型和化学键性质的研究。由于这些研究的进展，无机化学已经不再是纯叙述性的学科，而是由很多密切相关的分支学科融合起来的一个整体。这些分支学科包括配位化学，稀有金属、稀土元素化学，同位素化学等。

无机化学研究内容广泛，周期表中100多种元素以及除烃和烃衍生物以外的所有化合物都是无机化学的研究对象。随着其他学科的发展及相互渗透，形成了许多跨学科的新研究领域，无机化学与新兴交叉学科融合和交叉，形成了物理无机化学、生物无机化学等。无机化学给这些学科提供了研究的基本内容和实验方法，又在理论研究上和这些学科交叉在一起，相互联系又相互丰富。此外，无机化学研究向纵深发展，一些新的理论分析和设计思想正应用在无机化学的研究中。

无机化学的发展是按照一定的规律发展的，和生产上的需要密切联系着。无机化学的这些分支学科以及与其他学科交叉形成的边缘学科，在国防尖端技术的发展和国民经济、工农业生产需要的推动下，不断发展。优质的半导体、导体和超导体；绝缘体和磁性材料；高强度轻质的金属材料等需求，推动了稀有金属、稀土元素化学和配位化学的发展。工业生产要求用无机材料制成耐用、高强度、轻质的复合材料；农业生产要求有更多更好的肥料和植物激素，更好的肥料和植物激素，这些需求都推动了配位化学在肥料生产、石油催化方面的应用和理论研究。

无机化合物包括所有元素和它们的化合物，不过大部分的碳化合物除外，因为除二氧化碳、一氧化碳、二硫化碳、碳酸盐等简单的碳化合物属无机物外，其余均属于有机化合物。历史上人们曾认为无机物即是无生命的物质，如岩石、土壤、矿物等，而有机物则是有生命的动植物产生的，如蛋白质、油脂、淀粉等。1828年，德国化学家维勒(Friedrich Wohler)从无机物氰酸铵值得尿素，从而打破了有机物只能由有生命力产生的观点，明确了无机物和有机物都是由化学结合而成的。现在，无机物和有机物按组分的不同而划分。

历史

化学的发展可分为古代化学、近代化学和现代化学三个时期。化学学科建立前，古人已掌握大量与化学相关的知识和技术，如公元6000年前的烧黏土制陶器、公元5000年前发现天然铜并还原为金属铜、公元142年中国金丹加所著《周易参同契》论述了金丹术，古代的练丹术是化学学科的先驱。

近代无机化学的建立标志着近代化学的创始，对近代无机贡献最大的人属于英国的玻意尔(Robert Boyle)、法国的拉瓦锡(Lavoisier)和英国的道尔顿(John Dalton)。玻意尔提出元素是一种不能分出其他物质的物质，拉瓦锡于1774年提出质量守恒定律，即在化学变化中物质的质量不变。结合质量守恒定律，1803年道尔顿提出原子学说后，化学才真正成为一门科学，近代化学开始理论研究。

19世纪30年代，已知元素已达60多种，俄国化学家门捷列夫(Меndeleev,Dmitrilvanovich)研究了这些元素的性质，在1869年提出元素周期律。元素周期律的发现宣告了化学学科的成立，化学理论体系开始形成，化学出现了无机化学、有机化学、分析化学和物理化学等四个分支学科。

1899年，卢瑟福(Ernest Rutherford)发现了发射性元素“钍”和新型放射线，3年后又发现了一种原子可以蜕变为另一种原子，否定了道尔顿的原子永远不变的观点。1911年，他根据

配位化学

配位学说的提出打破了共价理论和价饱和观念的局限，建立分子间新型相互作用。配合物的形成、配位结合、配合物的结构、配合物的反应等是配位化学的主要内容，很快配位化学成为无机化学重要的一部分。之后，配合物的类型迅速增加、从简单配合物发展到多核配合物、聚合配合物、大环配合物；也从单一配体配合物发展到混合配体配合物。在20世纪中叶，相继创立了溶液配位化学、多气层多配位体计算机模型、配位场理论。

原子簇化学

金属原子化合物的发现开拓了一个新领域，其后逐渐形成了一门新兴的化学分支学科—金属原子簇化学。20世纪70年代，生物金属原子簇、超导及新型材料等的需要，促进了金属原子簇化学快速发展。可以通过一些合成方法，并且用结构化学等实验手段了解一些金属簇化合物结构与性能的关联。关于成簇的机理，提出了金属原子簇的簇价轨道理论、多面体簇电子对理论等学说。

生物无机化学

生物无机化学诞生于20世纪60年代，Perutz对肌红蛋白和血红蛋白的结构和作用机理研究获诺贝尔化学奖，使生物无机化学开始发展。生物无机化学研究到了细胞和无机物作用时细胞内外发生的化学反应，这些化学变化是生物效应的基础。生物无机化学主要的三个分支分别为测定生物功能分子结构和阐明作用机理、生物大分子的溶液结构、机理关系。

核化学和放射化学

放射性元素、人工放射性和核裂变的发现，核反应堆建立，核燃料的生产和处理都涉及核化学与放射化学，核化学和放射化学主要涉及超重元素“稳定岛”的寻找，核医学和放射性药物、核分析技术。

元素化学

元素化学主要涉及元素在自然界的存在形式、分布，非金属与金属元素的通性、金属单质的性质、氢氧化物等方面。元素在自然界中的存在形式有两大类：单质和化合物，较活泼的金属和非金属元素在自然界主要以化合物形式存在，不太活泼的元素以单质形式存在。

无机物分类

无机物按成分特点可分为单质和化合物两大类；按结构特性可分为单晶、多晶、玻璃、无定型材料、复合材料等；按形态可分为体相材料、薄膜材料、纤维、粉体等；按性能特征和使用效能，又可分为结构材料和功能材料两大类。

单质

单质有金属单质和非金属单质。钾、钠、钙、镁等都是金属，具有特殊的光泽，常温下都是固体，一般易导电、导热、并有延展性。非金属单质有氟、溴、碘、碳、氢等，非金属元素通常是气体或固体(溴除外，其是液体)，颜色不一。一般不易导电、传热，而且非金属固体较脆。但也有些单质既具有金属性，也具有非金属性，如锑是金属，但却有质脆易碎，不易导电的非金属性质；砷是非金属，但却有金属光泽和能传热、导电的金属性质。

化合物

化合物可以大致分为氧化物、酸、碱和盐四大类。氧化物是由氧原子和另一种元素的原子组成的化合物，常见的氧化物有酸性氧化物和碱性氧化物，酸性氧化物大部分溶于水，生成相应的酸；碱性氧化物是指能和酸作用生成盐和水的氧化物，又称金属氧化物。

酸是指分子由氢原子和酸根组成，并能与碱发应生成盐和水的化合物。酸能和多种金属反应，生成盐和氢气。常见的酸有盐酸(HCl)、硫酸(H₂SO₄)、硝酸(HNO₃)。纯净盐酸是无色透明液体，具有挥发性；纯净硫酸是无色油状液体，不易挥发，能与水以任何比例混溶，放出大量的热；纯净硝酸为无色液体，具有挥发性，能与水以任何比例混溶，见光受热易分解产生二氧化氮和氧，需要保存在有色瓶内，放置阴暗处。

碱是指分子由1个金属原子和1个或几个氢氧根组成，并能与酸作用生成盐和水的化合物。常见的碱有氢氧化钠(NaOH)和氢氧化钙(Ca(OH)₂)，氢氧化钠又称烧碱，一种易潮解的白色固体，常用于干燥剂；氢氧化钙是一种白色粉末，微溶于水，它的澄清溶液是石灰水。

盐是指分子由金属原子和酸根组成的化合物，盐分为正盐、酸式盐和碱式盐。正盐的酸分子中氢完全被金属原子或铵根所代替生成的盐，如碳酸钠(Na₂CO₃)；酸式盐酸分子中的氢原子一部分被金属原子或铵根所代替而生成的盐，如碳酸氢钠(NaHCO₃)；碱式盐的碱分子中的氢氧根一部分被酸根代替生成的盐，如碱式碳酸铜(Cu₂(OH)₂CO₃)。

功能材料

传统无机物一般指以天然的硅酸盐矿物(黏土、石英、长石等)为主要原料，经高温窑烧制而成的一大类材料，主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四种，其化学组成均为硅酸盐，因此也称为硅酸盐材料。新型无机材料是指应用于高科技领域的用氧化物、氮化物、碳化物以及各种无机非金属化合物进特殊的先进工艺制成的具有优异性能的无机新材料，如特种陶瓷、特种玻璃、特性水泥、新型耐火材料等。

结构材料

结构材料是利用材料的力学性能，所制备的各类器件或构件是为了承受各种形式的载荷、起支撑作用。如铝合金、钛合金、镍和镍合金、镁和镁合金、乃荣金属和陶瓷等。铝合金中Al-Li系合金可以应用于飞机外壳，减轻飞机重量；超塑铝合金成形变形量可达百分之几百，复杂的构件可一次成形，常用于飞机跻身隔框、电器外壳等。钛合金用于飞机起落架，大大减轻了重量。镍铜系耐蚀合金可制造高压充油电缆、油槽、医疗器材。

无机化学反应类型

从形式上可将无机化学反应分为四种类型：分解反应、化合反应、置换反应和复分解发应。而从本质上又可将无机化学反应分为两种类型：非氧化还原反应和氧化还原反应。非氧化还原反应是指反应物的组成元素氧化数不发生变化的反应叫做非氧化还原反应。它可以是分解反应、化合反应和复分解反应。而氧化还原反应是指反应物的组成元素氧化数发生变化的反应，它可以是分解反应、化合反应和置换反应。

分解反应

分解反应是指一种物质发应生成两种以上的新的物质的反应，如碳酸铵受热分解为氨、二氧化碳和水：

化合反应

化合反应是指两种或两种以上的物质生成另一种新物质的反应，化合反应与分解反应是相反的反应，如氨与氯化氢结合生成氯化铵：

置换反应

一种单质的原子置换(或取代)了化合物的某种组成原子，生成一种新的化合物和一种新单质的反应，称为置换反应。如金属铜从硝酸银溶液中置换金属银:

复分解反应

复分解反应是指两种化合物互换组分，生成另外两种新的化合物的反应。如硝酸银和氯化钠反应，生成硝酸钠和氯化银：

应用领域

医药

无机药物可治疗各种疾病，无机药物包括简单无机化合物药物、金属配合物药物等。无机药物如碳酸钠、乳酸钠，因其在水溶液中呈碱性，成为临床上常用的抗酸药，用于治疗糖尿病及肾炎等引起的代谢性酸中毒；生理氯化钠溶液在临床上用于治疗出血过多、严重腹泻等引起的脱水症，无水硫酸钠用作缓泻剂，氯化钾用于低血钾的治疗，一氧化氮(NO)有血管舒张作用。过渡金属在人体内多以金属酶和金属蛋白质存在，参与体内的许多重要反应及信息传递、能量转移等，金、锑、锡、钒等的配合物在抗癌金属配合物中占有重要地位，如顺铂、卡铂等一系列铂的配合物已用于肿瘤治疗；一些非铂性配合物抗肿瘤药是目前临床上治疗泌尿生殖系统及头颈部、食管、结肠等部位癌症的广谱药。

食品

人体所需的50多种营养物质，包括碳水化合物、蛋白质、脂肪、脂肪酸、水等营养物质都需要从各种食品中吸收。食盐不但是人类必需物质，也是食物的调味料和防腐剂，能除去食物的异味、增加水果甜味和防止鱼肉的腐烂。在食品制作上，盐卤主要用于豆制品、稀奶油和果酱的制作；NaHCO₃作为疏松剂用于饼干、糕点等的生产。

健康

生命体的存在与化学物质和化学元素有着密切的关系，人体中可以检验出81种化学元素，根据这些元素在人体中的生物学效应，可分为必需元素、有益元素和有害元素。必需元素是构成人体组织和维持正常生命活动的元素，如H、Na、K、Mg、Ca、V、Cr、Mn、Mo等；有益元素对生命是有益的，缺少这些元素，生命可以维持，如Ge；有害元素包括重金属元素以及部分非金属元素，过量存在于人体会威胁人体健康和生存，如Cd、Pb、Hg、Al等。

元素根据在人体含量不用分为常量元素和微量元素，生命必需常量元素有O、C、H、N、Ca、P、S等，必需微量元素包括V、Cr、Mn、Mo、Fe、Co、Ni等。人体对微量元素需求量虽然很低，但它们却起着关键性作用，它们只有在浓度适宜的情况下表现出有益的，浓度过低，就会出现营养缺乏症；浓度过高，则会导致中毒，影响机体正常生理功能。如必需微量元素Cu有利于血红蛋白及色素的合成，但过量积累对肝脏有伤害作用，甚至致癌；缺碘或碘过多都会引起甲状腺肿大；过量的硒摄入会引起硒中毒，使相关酶失活；缺钙骨骼畸形，过多会导致动脉硬化。

农业

在施用有机肥料的基础上，配合施用无机肥料，不仅能提高有机肥料的肥效，还能获得较大幅度的增产效果，无机肥料有氮素化学肥料、磷素化学肥料、钾素化学肥料、钙素化学肥料、镁素化学肥料、微量元素肥料和稀土元素肥料。氮素化学肥料中的尿素作柑橘的根外追肥时叶片吸收较快、见效也快；磷素化学肥料中的钙镁磷肥不仅含有磷、还含有柑橘需要的镁和钙的成分，但其肥效缓慢，常与猪牛栏肥堆腐后，作基肥施用，不仅能提供磷素营养，还有利于改良酸性土壤；微量元素肥料中的硼肥是柑橘生产中使用最大的一种微量元素肥料，主要有硼砂和硼酸两种。