Epäorgaaninen kemia

Nykyaikainen kemia, joka juontaa juurensa suurin piirtein siitä, kun massan säilymislaki hyväksyttiin 1700-luvun lopulla, keskittyi aluksi aineisiin, jotka eivät liittyneet eläviin organismeihin. Tällaisten aineiden, joissa on yleensä vähän tai ei lainkaan hiiltä, tutkiminen muodostaa epäorgaanisen kemian tieteenalan. Varhaisessa työssä pyrittiin tunnistamaan yksinkertaiset aineet eli alkuaineet, jotka muodostavat kaikki monimutkaisemmat aineet. Jotkin alkuaineet, kuten kulta ja hiili, on tunnettu jo antiikista lähtien, ja monia muita alkuaineita löydettiin ja tutkittiin 1800-luvulla ja 1900-luvun alussa. Nykyään tunnetaan yli 100 alkuainetta. Yksinkertaisten epäorgaanisten yhdisteiden, kuten natriumkloridin (keittosuolan), tutkiminen on johtanut joihinkin nykyaikaisen kemian peruskäsitteisiin, joista yksi merkittävä esimerkki on määrättyjen suhteiden laki. Tämän lain mukaan useimmissa puhtaissa kemiallisissa aineissa alkuaineet ovat aina kiinteässä massasuhteessa (esim. 100 grammaa suolaa sisältää 39,3 grammaa natriumia ja 60,7 grammaa klooria). Suolan kiteinen muoto, joka tunnetaan nimellä haliitti, koostuu sekoittuneista natrium- ja klooriatomeista, yksi natriumatomi kutakin klooriatomia kohti. Tällaista yhdistettä, joka muodostuu pelkästään kahden alkuaineen yhdistelmästä, kutsutaan binääriyhdisteeksi. Binääriyhdisteet ovat hyvin yleisiä epäorgaanisessa kemiassa, ja niiden rakenteellinen monimuotoisuus on vähäistä. Tästä syystä epäorgaanisten yhdisteiden määrä on rajallinen, vaikka keskenään reagoivien alkuaineiden määrä on suuri. Jos aineessa yhdistetään kolme tai useampia alkuaineita, rakenteelliset mahdollisuudet kasvavat.

Epäorgaanisesta kemiasta on 1900-luvun alkupuolella vallinneen hiljaiselon jälkeen tullut jälleen jännittävä tutkimusalue. Boorin ja vedyn yhdisteillä, niin sanotuilla boraaneilla, on ainutlaatuisia rakenteellisia ominaisuuksia, jotka pakottivat muuttamaan ajattelua epäorgaanisten molekyylien rakenteesta. Joillakin epäorgaanisilla aineilla on rakenneominaisuuksia, joiden pitkään uskottiin esiintyvän vain hiiliyhdisteissä, ja joitakin epäorgaanisia polymeerejä on jopa tuotettu. Keraamit ovat materiaaleja, jotka koostuvat hapen kanssa yhdistetyistä epäorgaanisista alkuaineista. Vuosisatojen ajan keraamisia esineitä on valmistettu kuumentamalla voimakkaasti jauhemaisista mineraaleista muodostettua astiaa. Vaikka keramiikka on melko kovaa ja stabiilia hyvin korkeissa lämpötiloissa, se on yleensä haurasta. Parhaillaan valmistetaan uusia keraamisia, jotka ovat niin vahvoja, että niitä voidaan käyttää suihkumoottoreiden turbiinilapoina. On toiveita, että keramiikka voisi jonain päivänä korvata teräksen polttomoottoreiden komponenteissa. Vuonna 1987 havaittiin, että yttriumia, bariumia, kuparia ja happea sisältävä keramiikka, jonka likimääräinen kaava on YBa2Cu3O7, on suprajohde noin 100 K:n lämpötilassa. Suprajohde ei vastusta sähkövirran kulkua, ja uudentyyppinen keramiikka voisi hyvinkin löytää laajaa käyttöä sähkö- ja magneettisovelluksissa. Suprajohtava keramiikka on niin yksinkertainen valmistaa, että sitä voidaan valmistaa jo lukion laboratoriossa. Sen löytäminen havainnollistaa kemian arvaamattomuutta, sillä perustavanlaatuisia keksintöjä voidaan edelleen tehdä yksinkertaisilla laitteilla ja edullisilla materiaaleilla.

Monet epäorgaanisen kemian mielenkiintoisimmat kehityskohteet kurovat umpeen kuilua muiden tieteenalojen kanssa. Metalliorgaaninen kemia tutkii yhdisteitä, jotka sisältävät epäorgaanisia alkuaineita yhdistettynä hiilirikkaisiin yksiköihin. Monilla organometalliyhdisteillä on tärkeä rooli teollisessa kemiassa katalyytteinä, eli aineina, jotka kykenevät kiihdyttämään reaktion nopeutta, vaikka niitä esiintyisi vain hyvin pieniä määriä. Tällaisia katalyyttejä on käytetty jonkin verran menestyksekkäästi maakaasun muuntamisessa samankaltaisiksi mutta hyödyllisemmiksi kemiallisiksi aineiksi. Kemistit ovat myös luoneet suuria epäorgaanisia molekyylejä, jotka sisältävät metalliatomien, kuten platinan, ytimen, jota ympäröi erilaisista kemiallisista yksiköistä koostuva kuori. Joillakin näistä yhdisteistä, joita kutsutaan metalliklustereiksi, on metallien ominaisuuksia, kun taas toiset reagoivat tavalla, joka muistuttaa biologisia järjestelmiä. Biologisissa järjestelmissä olevat metallien hivenmäärät ovat välttämättömiä prosesseille, kuten hengitykselle, hermojen toiminnalle ja solujen aineenvaihdunnalle. Tällaiset prosessit muodostavat bioanorgaanisen kemian tutkimuskohteen. Vaikka orgaanisia molekyylejä pidettiin aikoinaan elävien olentojen tunnusomaisena kemiallisena piirteenä, nykyään tiedetään, että myös epäorgaanisella kemialla on elintärkeä merkitys.