無機化学は、無機化合物および有機金属化合物の合成と挙動を扱います。この分野は、有機化学の対象である炭素をベースとしない化合物を扱います。有機金属化学のサブ分野には多くの重複があるため、この2つの分野の区別は絶対的なものではありません。有機金属化学は、触媒、材料科学、顔料、界面活性剤、コーティング、医薬品、燃料、農業など、化学産業のあらゆる分野に応用されています。^{[ 1 ]}

多くの無機化合物は、自然界で鉱物として見られます。^{[ 2 ]}土壌には、硫化鉄が黄鉄鉱として、硫酸カルシウムが石膏として含まれていることがあります。^{[ 3 ] [ 4 ]}無機化合物は、生体分子として、電解質（塩化ナトリウム）、エネルギー貯蔵（ATP）、構造（DNAのポリリン酸骨格）など、多様な役割を果たしていることもあります。

無機化合物は、さまざまな結合特性を示します。その中には、イオン結合によってつながった非常に単純な陽イオンと陰イオンからなるイオン化合物があります。塩（イオン化合物）の例としては、マグネシウム陽イオン Mg ²⁺と塩化物陰イオン Cl ⁻からなる塩化マグネシウム MgCl 2 、またはナトリウム_陽イオンNa ⁺と水酸化物陰イオン OH ⁻からなる水酸化ナトリウム NaOH などがあります。二酸化硫黄や鉄ペンタカルボニルなど、一部の無機化合物は共有結合が強いです。多くの無機化合物は極性共有結合を特徴としており、これは共有結合とイオン結合の中間の結合形式です。この説明は、多くの酸化物、炭酸塩、ハロゲン化物に当てはまります。多くの無機化合物は、高融点を特徴とします。一部の塩（例：NaCl）は水に非常に溶けやすいです。

反応物が水素原子を含む場合、酸塩基化学においてプロトン交換によって反応が起こります。より一般的な定義では、電子対を結合できる化学種はすべてルイス酸と呼ばれ、逆に電子対を供与する傾向がある分子はすべてルイス塩基と呼ばれます。^{[ 5 ]}酸塩基相互作用の改良として、HSAB理論はイオンの分極率とサイズを考慮に入れています。

無機化学の分野は数多くありますが、その中には以下のものがあります。

• 有機金属化学、金属-炭素結合を持つ化合物。この分野では、多くの有機金属触媒や試薬を用いる有機合成について扱います。
• クラスター化学、金属間結合または橋かけ配位子によって複数の金属が結合した化合物。
• 生物無機化学、金属を含む生体分子。この分野は医薬品化学にも関係します。
• 材料化学と固体化学は、単純な分子では見られない特性を示す拡張固体（すなわち高分子固体）を研究対象としています。これらの分野には、セラミックスをはじめとする多くの実用的なテーマが関連しています。

無機化学は非常に実用的な科学分野です。伝統的に、国家の経済規模は硫酸の生産性によって評価されてきました。

重要な人工無機化合物の一つに硝酸アンモニウムがあり、肥料として利用されています。アンモニアはハーバー法によって製造されます。^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} 硝酸はアンモニアから酸化によって製造されます。もう一つの大型無機物質はポルトランドセメントです。無機化合物は触媒として利用されており、例えば二酸化硫黄の酸化には酸化バナジウム(V) 、アルケンの重合には塩化チタン(III)が用いられます。多くの無機化合物は、水素化アルミニウムリチウムのように有機化学の試薬として利用されています。^[要出典]

記述無機化学は、化合物の性質に基づいた分類に焦点を当てています。分類は、化合物中に含まれる最も重い元素（原子量が最も大きい元素）の周期表における位置に焦点を当てる場合と、化合物を構造の類似性に基づいてグループ分けする場合に分けられます。

古典的な配位化合物は、H ₂ O、NH ₃、Cl ^-、CN ^-などの配位子の典型族原子に存在する「孤立電子対」に結合した金属を特徴とします。現代の配位化合物では、ほぼすべての有機化合物と無機化合物を配位子として使用できます。「金属」は通常、 3族から13族の金属、および超ランタノイドと超アクチノイドですが、ある観点から見ると、すべての化合物は配位錯体として記述できます 。

配位錯体の立体化学は非常に豊かであり、ヴェルナーによる[Co((OH) ₂ Co(NH ₃ ) ₄ ) ₃ ] ⁶⁺の2つのエナンチオマーの分離は、キラリティーが有機化合物に固有のものではないことを早期に実証したことからも示唆されている。この専門分野における話題のテーマは超分子配位化学である。^{[ 9 ]}

• 例: [Co( EDTA )] ⁻、[Co(NH ₃ ) ₆ ] ³⁺、TiCl ₄ ( THF ) ₂。

_{配位化合物は、チタン（例：TiCl 4} ）の四面体、一部のニッケル錯体の四角形、コバルトの配位錯体の八面体など、実に多様な構造を示します。ヘモグロビン中の鉄など、生物学的に重要な化合物には、様々な遷移金属が含まれています。

• 例:鉄ペンタカルボニル、四塩化チタン、シスプラチン

これらの種は、周期表のI、II、III、IV、V、VI、VII、O族（水素を除く）の元素を特徴としています。これらの元素は反応性が類似していることが多いため、一般的には第3族（ Sc、Y、La）と第12族（Zn、Cd、Hg）の元素も含まれ、ランタノイドやアクチノイドも含まれることがあります。^{[ 10 ]}

典型化合物は化学の黎明期から知られており、例えば元素硫黄や蒸留可能な白リンなどが挙げられます。ラボアジエとプリーストリーによる酸素（ O _{2 ）}の実験は、重要な二原子気体を特定しただけでなく、化合物や反応を化学量論比に従って記述する道を拓きました。 1900年代初頭、カール・ボッシュとフリッツ・ハーバーによる鉄触媒を用いたアンモニアの実用的な合成法の発見は、人類に大きな影響を与え、無機化学合成の重要性を実証しました。代表的な典型化合物には、SiO ₂、SnCl ₄、N _{2 Oなどがあります。多くの典型化合物は、B(} CH ₃ ) ₃などの有機基を含むため、「有機金属」に分類することもできます。典型化合物は、DNA中のリン酸など、自然界にも存在するため、生体無機化合物に分類されることもあります。逆に、フラーレン、バッキーチューブ、二元炭素酸化物など、（多くの）水素リガンドを欠く有機化合物は、「無機」として分類できます。

• 例:四窒化四硫黄S ₄ N ₄、ジボランB ₂ H ₆、シリコーン、バックミンスターフラーレンC ₆₀。

希ガス化合物には、キセノンとクリプトンのいくつかの誘導体が含まれます。

• 例：六フッ化キセノンXeF ₆、三酸化キセノンXeO ₃、二フッ化クリプトンKrF ₂

通常、有機金属化合物はMCH基を含むと考えられています。^{[ 11 ]} これらの化合物における金属（M）は、典型元素または遷移金属のいずれかです。操作上、有機金属化合物の定義はより緩和され、金属カルボニルや金属アルコキシドなどの親油性の高い錯体も含みます。

有機金属化合物は、主に特殊なカテゴリーに分類されます。これは、有機配位子が加水分解や酸化に敏感であることが多いため、有機金属化学では、ウェルナー型錯体における従来の方法よりも特殊な調製方法を採用する必要があるためです。合成方法論、特に配位力の低い溶媒中で錯体を操作できるようになったことで、炭化水素、H ₂、N ₂といった配位力の非常に弱い配位子の研究が可能になりました。これらの配位子は、ある意味で石油化学物質であるため、有機金属化学分野は、その産業との関連性から大きな恩恵を受けています。

• 例:シクロペンタジエニル鉄ジカルボニル二量体(C ₅ H ₅ )Fe(CO) ₂ CH ₃、フェロセンFe(C ₅ H ₅ ) ₂、モリブデンヘキサカルボニルMo(CO) ₆、トリエチルボランEt ₃ B、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0) Pd ₂ (dba) ₃ )

クラスターはあらゆる種類の化合物に存在します。一般的に受け入れられている定義によれば、クラスターは少なくとも互いに直接結合した三角形状の原子群から構成されます。しかし、金属-金属結合二金属錯体は、この分野に深く関わっています。クラスターは、「純粋」な無機系、有機金属化学、典型族化学、そして生体無機化学において存在します。非常に大きなクラスターとバルク固体との区別はますます曖昧になっています。この境界面はナノサイエンスやナノテクノロジーの化学的基礎であり、特にセレン化カドミウムクラスターにおける量子サイズ効果の研究から生じています。したがって、大きなクラスターは、分子と固体の中間の性質を持つ結合原子の配列として説明できます。

• 例: Fe ₃ (CO) ₁₂ , B ₁₀ H ₁₄ , [Mo ₆ Cl ₁₄ ] ²⁻ , 4Fe-4S

定義上、これらの化合物は自然界に存在しますが、このサブフィールドには、汚染物質 (メチル水銀など) や薬物 (シスプラチンなど) などの人為起源の種も含まれます。^{[ 12 ]} この分野は生化学の多くの側面を組み込んでおり、DNA のリン酸などの多くの種類の化合物や、生物学的高分子 (一般的にはペプチド)からフミン酸などの定義の曖昧な種、水( MRIに使用されるガドリニウム錯体に配位した種など) までの範囲の配位子を含む金属錯体が含まれます。伝統的に、生物無機化学は、呼吸に関連するタンパク質の電子およびエネルギー移動に焦点を当てています。医薬品無機化学には、診断と治療への応用を伴う必須および非必須元素の両方の研究が含まれます。

• 例:ヘモグロビン、メチル水銀、カルボキシペプチダーゼ

この重要な分野は、物質の構造、^{[ 13 ]}、および物理的特性に焦点を当てています。実際には、固体無機化学では、結晶学などの手法を用いて、固体を構成するサブユニット間の集団的相互作用から生じる特性を理解しようとします。固体化学には、金属とその合金、または金属間誘導体が含まれます。関連分野としては、凝縮物質物理学、鉱物学、材料科学などがあります。

• 例:シリコンチップ、ゼオライト、YBa ₂ Cu ₃ O ₇

ほとんどの有機化合物とは対照的に、多くの無機化合物は磁性を有し、あるいは着色しています。これらの特性は、結合や構造に関する情報を提供します。無機化合物の磁性は複雑な場合があります。例えば、ほとんどの銅(II)化合物は常磁性ですが、Cu ^II ₂ (OAc) ₄ (H ₂ O) ₂は室温以下ではほぼ反磁性です。これは、酢酸塩中のCu(II)サイト間の 磁気結合によるものです。

無機化学は定性理論の恩恵を大いに受けてきました。このような理論は量子論の知識をほとんど必要としないため、習得が容易です。典型化合物においては、VSEPR理論は典型化合物の構造を強力に予測、あるいは少なくとも合理化します。例えば、 NH ₃がピラミッド型であるのに対し、 ClF ₃がT字型である理由などです。遷移金属においては、結晶場理論によって多くの単純な錯体の磁性を理解することができます。例えば、[Fe ^III (CN) ₆ ] ³⁻には不対電子が1つしかないのに対し、[Fe ^III (H ₂ O) ₆ ] ³⁺には5つある理由などです。構造と反応性を評価するための特に強力な定性的なアプローチは、分子を電子カウントに基づいて分類することから始まります。これは、通常、分子の中心原子にある価電子の数に焦点を当てたものです。^[要出典]

化学における概念の一つに分子の対称性があり、群論に体現されています。無機化合物は特に多様な対称性を示すため、群論が無機化学と密接に関連していることは理にかなっています。^{[ 14 ]}群論は、点群対称性に基づいて分子の形状を記述するための言語を提供します。群論はまた、理論計算の因数分解と簡素化を可能にします。

分光学的特徴は、とりわけ振動状態や電子状態の対称性に基づいて分析・記述されます。基底状態と励起状態の対称性に関する知識があれば、振動スペクトルと電子スペクトルにおける吸収の数と強度を予測することができます。群論の古典的な応用例としては、置換金属カルボニル錯体のC–O振動数の予測が挙げられます。分光学における対称性の最も一般的な応用は、振動スペクトルと電子スペクトルです。

群論は、本来は異なる種の結合における共通点と相違点を浮き彫りにします。例えば、WF ₆とW(CO) ₆の金属ベースの軌道は同じように変換されますが、これらの軌道のエネルギーとポピュレーションは大きく異なります。同様の関係がCO ₂と分子状二フッ化ベリリウムにも存在します。

無機化学における定量的なアプローチの一つとして、反応エネルギーに焦点を当てたものがあります。このアプローチは非常に伝統的で経験的ですが、有用でもあります。熱力学用語で表現される広範な概念には、酸化還元電位、酸性度、相変化などがあります。無機熱力学における古典的な概念の一つにボルン・ハーバーサイクルがあり、これは電子親和力などの素過程のエネルギーを評価するために使用されます。素過程の中には直接観察できないものもあります。

無機化学の重要な側面は、反応経路、つまり反応機構に焦点を当てています。

13～18族の典型化合物の反応機構は、通常、有機化学の文脈で議論されます（結局のところ、有機化合物は典型化合物です）。 C、N、O、Fよりも重い元素は、超原子価分子の記事で説明されているように、オクテット則で予測されるよりも多くの電子を持つ化合物を形成することがよくあります。これらの元素の反応機構は、このため有機化合物とは異なります。炭素よりも軽い元素（B、Be、Li）やAl、Mgは、電子的にはカルボカチオンに似た電子不足構造を形成することがよくあります。このような電子不足種は、会合経路で反応する傾向があります。ランタノイドの化学は、アルミニウムに見られる化学の多くの側面を反映しています。

遷移金属化合物と典型族化合物はしばしば異なる反応を示す。^{[ 15 ]}結合におけるd軌道の重要な役割は、配位子の置換と解離の経路と速度に強い影響を与える。これらのテーマは、錯体化学と配位子に関する論文で取り上げられている。会合経路と解離経路の両方が観察される。

_{遷移金属化学の機構における最も重要な側面は、典型的な錯体[M(H 2} O) ₆ ] ⁿ⁺における自由水と結合水の交換によって示される錯体の運動学的不安定性である。

[M(H ₂ O) ₆ ] ⁿ⁺ + 6 H ₂ O* → [M(H ₂ O*) ₆ ] ⁿ⁺ + 6 H ₂ O

ここで、H ₂ O*は同位体濃縮水（例：H ₂ ¹⁷ O）を表す。

水交換の速度は周期表全体で 20 桁変化しますが、ランタニド錯体ではその差は大きく、Ir(III) 種では最も遅くなります。

遷移元素では酸化還元反応が広く知られています。酸化還元反応には、酸化的付加／還元的脱離などの原子移動反応と電子移動反応の2種類があります。基本的な酸化還元反応は「自己交換」であり、これは酸化剤と還元剤の間の縮退反応を伴います。例えば、過マンガン酸とその1電子還元された相対的なマンガン酸は、1つの電子を交換します。

[MnO ₄ ] ⁻ + [Mn*O ₄ ] ²⁻ → [MnO ₄ ] ²⁻ + [Mn*O ₄ ] ⁻

配位リガンドは、自由リガンドとは異なる反応性を示します。たとえば、[Co(NH ₃ ) ₆ ] ³⁺_{のアンモニアリガンドの酸性度は、NH 3}自体よりも高くなっています。金属カチオンに結合したアルケンは求核剤に対して反応しますが、アルケンは通常は反応しません。触媒作用の大規模かつ産業的に重要な領域は、金属が有機リガンドの反応性を修正する能力にかかっています。 均一触媒作用は溶液中で起こり、不均一触媒作用はガス状または溶解した基質が固体の表面と相互作用するときに起こります。伝統的に、均一触媒作用は有機金属化学の一部であると考えられており、不均一触媒作用は固体化学のサブフィールドである表面科学の文脈で議論されています。しかし、基本的な無機化学の原理は同じです。遷移金属は、ほぼ唯一、CO、H ₂、O ₂、C ₂ H ₄などの小さな分子と反応します。これらの原料の産業的重要性は、触媒の活性領域を牽引しています。配位子は、トランスメタル化などの配位子移動反応を起こすこともできます。

元素の種類が多様であり、それに応じて得られる誘導体の特性も多様であるため、無機化学は多くの分析手法と密接に関連しています。従来の分析手法は、溶液の電気伝導率、融点、溶解度、酸性度といったバルク特性を調べることが多かったです。量子論の出現とそれに伴う電子機器の発展に伴い、無機分子や固体の電子特性を調べるための新しいツールが導入されました。これらの測定は、しばしば理論モデルに関連する知見をもたらします。一般的に用いられる手法には以下のものがあります。

• X 線結晶構造解析: この技術により分子構造の 3D 決定が可能になります。
• さまざまな形態の分光法：
  • 紫外可視分光法：歴史的に、多くの無機化合物は強い色を帯びているため、これは重要なツールであった。
  • NMR分光法：¹ Hと¹³ C以外にも、多くのNMR活性核（例：¹¹ B、¹⁹ F、³¹ P、¹⁹⁵ Pt）が化合物の特性と構造に関する重要な情報を提供します。常磁性種のNMRは重要な構造情報を提供します。軽い水素核はX線結晶構造解析では検出されにくいため、陽子（ ¹ H ）NMRも重要です。
  • 赤外分光法：主にカルボニル配位子からの吸収を対象とする
  • 電子核二重共鳴（ENDOR）分光法
  • メスバウアー分光法
  • 電子スピン共鳴：ESR（またはEPR）は常磁性金属中心の環境の測定を可能にします。
• 電気化学:サイクリックボルタンメトリーおよび関連技術は、化合物の酸化還元特性を調べます。

一部の無機物質は自然界から純粋な形で得られますが、ほとんどは化学工場や実験室で合成されます。

無機合成法は、成分反応物の揮発性または溶解性によって大まかに分類できます。^{[ 16 ]} 可溶性無機化合物は有機合成法を用いて製造されます。空気と反応する金属含有化合物については、シュレンクライン法とグローブボックス法が用いられます。揮発性化合物およびガスは、バルブを介して相互接続されたガラス管からなる「真空マニホールド」内で操作され、全体を0.001mmHg以下に減圧することができます。化合物は、液体窒素（沸点78K）またはその他の極低温物質を用いて凝縮されます。固体は通常、管状炉を用いて製造され、反応物と生成物は容器に密封されます。容器は、多くの場合、溶融シリカ（非晶質SiO ₂ ）で作られていますが、溶接されたTa管やPt「ボート」などのより特殊な材料が使用される場合もあります。生成物と反応物は、反応を促進するために温度ゾーン間を輸送されます。

• 無機化学における重要な出版物

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