Anorganische scheikunde

De moderne scheikunde, die min of meer dateert van de aanvaarding van de wet van behoud van massa aan het einde van de 18e eeuw, richtte zich aanvankelijk op die stoffen die niet met levende organismen in verband werden gebracht. De studie van dergelijke stoffen, die gewoonlijk weinig of geen koolstof bevatten, vormt de discipline van de anorganische scheikunde. In een vroeg stadium werd getracht de eenvoudige stoffen – de elementen – te identificeren die de bestanddelen zijn van alle complexere stoffen. Sommige elementen, zoals goud en koolstof, zijn al bekend sinds de oudheid, en vele andere werden ontdekt en bestudeerd in de 19e en begin 20e eeuw. Vandaag zijn er meer dan 100 bekend. De studie van eenvoudige anorganische verbindingen zoals natriumchloride (keukenzout) heeft geleid tot enkele van de fundamentele concepten van de moderne scheikunde, waarvan de wet van de bepaalde verhoudingen een opmerkelijk voorbeeld is. Deze wet stelt dat bij de meeste zuivere chemische stoffen de samenstellende elementen altijd in vaste massaverhoudingen aanwezig zijn (bijvoorbeeld: elke 100 gram zout bevat 39,3 gram natrium en 60,7 gram chloor). De kristallijne vorm van zout, haliet genaamd, bestaat uit natrium- en chlooratomen door elkaar, één natriumatoom voor elk chlooratoom. Een dergelijke verbinding, uitsluitend gevormd door de combinatie van twee elementen, wordt een binaire verbinding genoemd. Binaire verbindingen komen zeer veel voor in de anorganische scheikunde en vertonen weinig structurele verscheidenheid. Om deze reden is het aantal anorganische verbindingen beperkt, ondanks het grote aantal elementen dat met elkaar kan reageren. Wanneer drie of meer elementen in een stof worden gecombineerd, worden de structurele mogelijkheden groter.

Na een periode van stilstand in het begin van de 20e eeuw is de anorganische scheikunde weer een opwindend onderzoeksterrein geworden. Verbindingen van borium en waterstof, bekend als boranen, hebben unieke structurele kenmerken die een verandering in het denken over de architectuur van anorganische moleculen hebben geforceerd. Sommige anorganische stoffen hebben structurele kenmerken waarvan lang werd aangenomen dat zij alleen in koolstofverbindingen voorkwamen, en er zijn zelfs enkele anorganische polymeren geproduceerd. Keramiek is een materiaal dat bestaat uit anorganische elementen gecombineerd met zuurstof. Eeuwenlang werden keramische voorwerpen gemaakt door het sterk verhitten van een vat gevormd uit een pasta van poedervormige mineralen. Hoewel keramiek vrij hard is en stabiel bij zeer hoge temperaturen, is het gewoonlijk bros. Momenteel worden nieuwe keramische voorwerpen vervaardigd die sterk genoeg zijn om te worden gebruikt als turbinebladen in straalmotoren. Er is hoop dat keramiek ooit staal zal vervangen in onderdelen van verbrandingsmotoren. In 1987 werd ontdekt dat een keramiek die yttrium, barium, koper en zuurstof bevat, met de benaderende formule YBa2Cu3O7, een supergeleider is bij een temperatuur van ongeveer 100 K. Een supergeleider biedt geen weerstand tegen de doorgang van een elektrische stroom, en dit nieuwe type keramiek zou heel goed op grote schaal kunnen worden gebruikt in elektrische en magnetische toepassingen. Een supergeleidend keramiek is zo eenvoudig te maken dat het kan worden bereid in een laboratorium van een middelbare school. De ontdekking ervan illustreert de onvoorspelbaarheid van de chemie, want fundamentele ontdekkingen kunnen nog steeds worden gedaan met eenvoudige apparatuur en goedkope materialen.

Veel van de interessantste ontwikkelingen in de anorganische chemie overbruggen de kloof met andere disciplines. Organometaalchemie onderzoekt verbindingen die anorganische elementen bevatten gecombineerd met koolstofrijke eenheden. Veel organometaalverbindingen spelen in de industriële chemie een belangrijke rol als katalysator, d.w.z. een stof die in staat is de snelheid van een reactie te versnellen, zelfs wanneer hij slechts in zeer kleine hoeveelheden aanwezig is. Er is enig succes geboekt bij het gebruik van dergelijke katalysatoren voor de omzetting van aardgas in verwante maar bruikbaardere chemische stoffen. Scheikundigen hebben ook grote anorganische moleculen gemaakt die een kern van metaalatomen bevatten, zoals platina, omgeven door een omhulsel van verschillende chemische eenheden. Sommige van deze verbindingen, die metaalclusters worden genoemd, hebben kenmerken van metalen, terwijl andere reageren op een manier die vergelijkbaar is met biologische systemen. Sporenhoeveelheden metalen in biologische systemen zijn essentieel voor processen zoals ademhaling, zenuwfunctie en celmetabolisme. Dergelijke processen vormen het studieobject van de bio-anorganische chemie. Hoewel men vroeger dacht dat organische moleculen het onderscheidende chemische kenmerk van levende wezens waren, weet men nu dat ook de anorganische chemie een vitale rol speelt.