無機化學

無機化學是研究無機物質的組成、性質、結構和反應的科學，它是化學中最古老的分支學科。無機物質包括所有化學元素和它們的化合物，不過大部分的碳化合物除外。(除二氧化碳、一氧化碳、二硫化碳、碳酸鹽等簡單的碳化合物仍屬無機物質外，其余均屬于有機物質。)

　　過去認為無機物質即無生命的物質，如巖石、土壤，礦物、水等；而有機物質則是由有生命的動物和植物產生，如蛋白質、油脂、淀粉、纖維素、尿素等。1828年德意志化學家維勒從無機物氰酸銨制得尿素，從而破除了有機物只能由生命力產生的迷信，明確了這兩類物質都是由化學力結合而成。現在這兩類物質是按上述組分不同而劃分的。

無機化學發展簡史

　　原始人類即能辨別自然界存在的無機物質的性質而加以利用。后來偶然發現自然物質能變化成性質不同的新物質，于是加以仿效，這就是古代化學工藝的開始。

　　如至少在公元前6000年，中國原始人即知燒粘土制陶器，并逐漸發展為彩陶、白陶，釉陶和瓷器。公元前5000年左右，人類發現天然銅性質堅韌，用作器具不易破損。后又觀察到銅礦石如孔雀石 (堿式碳酸銅)與燃熾的木炭接觸而被分解為氧化銅，進而被還原為金屬銅，經過反復觀察和試驗，終于掌握以木炭還原銅礦石的煉銅技術。以后又陸續掌握煉錫、煉鋅、煉鎳等技術。中國在春秋戰國時代即掌握了從鐵礦冶鐵和由鐵煉鋼的技術，公元前2世紀中國發現鐵能與銅化合物溶液反應產生銅，這個反應成為后來生產銅的方法之一。

　　化合物方面，在公元前17世紀的殷商時代即知食鹽(氧化鈉)是調味品，苦鹽(氫化鎂)的味苦。公元前五世紀已有琉璃(聚硅酸鹽)器皿。公元七世紀，中國即有焰硝(硝酸鉀)、硫黃和木炭做成火藥的記載。明朝宋應星在1637年刊行的《天工開物》中詳細記述了中國古代手工業技術，其中有陶瓷器、銅、鋼鐵、食鹽、焰硝、石灰、紅黃礬、等幾十種無機物的生產過程。由此可見，在化學科學建立前，人類已掌握了大量無機化學的知識和技術。

　　古代的煉丹術是化學科學的先驅，煉丹術就是企圖將丹砂(硫化汞)之類藥劑變成黃金，并煉制出長生不老之丹的方術。中國金丹術始于公元前2、3世紀的秦漢時代。公元142年中國金丹家魏伯陽所著的《周易參同契》是世界上最古的論述金丹術的書，約在360年有葛洪著的《抱樸子》，這兩本書記載了60多種無機物和它們的許多變化。約在公元8世紀，歐洲金丹術興起，后來歐洲的金丹術逐漸演進為近代的化學科學，而中國的金丹術則未能進一步演進。

　　金丹家關于無機物變化的知識主要從實驗中得來。他們設計制造了加熱爐、反應室、蒸餾器、研磨器等實驗用具。金丹家所追求的目的雖屬荒誕，但所使用的操作方法和積累的感性知識，卻成為化學科學的前驅。

　　由于最初化學所研究的多為無機物，所以近代無機化學的建立就標志著近代化學的創始。建立近代化學貢獻最大的化學家有三人，即英國的玻意耳、法國的拉瓦錫和英國的道爾頓。

　　玻意耳在化學方面進行過很多實驗，如磷、氫的制備，金屬在酸中的溶解以及硫、氫等物的燃燒。他從實驗結果闡述了元素和化合物的區別，提出元素是一種不能分出其他物質的物質。這些新概念和新觀點，把化學這門科學的研究引上了正確的路線，對建立近代化學作出了卓越的貢獻。

　　拉瓦錫采用天平作為研究物質變化的重要工具，進行了硫、磷的燃燒，錫、汞等金屬在空氣中加熱的定量實驗，確立了物質的燃燒是氧化作用的正確概念，推翻了盛行百年之久的燃素說。拉瓦錫在大量定量實驗的基礎上，于1774年提出質量守恒定律，即在化學變化中，物質的質量不變。1789年，在他所著的《化學概要》中，提出第一個化學元素分類表和新的化學命名法，并運用正確的定量觀點，敘述當時的化學知識，從而奠定了近代化學的基礎。由于拉瓦錫的提倡，天平開始普遍應用于化合物組成和變化的研究。

　　1799年，法國化學家普魯斯特歸納化合物組成測定的結果，提出定比定律，即每個化合物各組分元素的重量皆有一定比例。結合質量守恒定律，1803年道爾頓提出原子學說，宣布一切元素都是由不能再分割、不能毀滅的稱為原子的微粒所組成。并從這個學說引伸出倍比定律，即如果兩種元素化合成幾種不同的化合物，則在這些化合物中，與一定重量的甲元素化合的乙元素的重量必互成簡單的整數比。這個推論得到定量實驗結果的充分印證。原子學說建立后，化學這門科學開始宣告成立。

　　19世紀30年代，已知的元素已達60多種，俄國化學家門捷列夫研究了這些元素的性質，在1869年提出元素周期律：元素的性質隨著元素原子量的增加呈周期性的變化。這個定律揭示了化學元素的自然系統分類。元素周期表就是根據周期律將化學元素按周期和族類排列的，周期律對于無機化學的研究、應用起了極為重要的作用。

　　目前已知的元素共109種，其中94種存在于自然界，15種是人造的。代表化學元素的符號大都是拉丁文名稱縮寫。中文名稱有些是中國自古以來就熟知的元素，如金、鋁、銅、鐵、錫、硫、砷、磷等；有些是由外文音譯的，如鈉、錳、鈾、氦等；也有按意新創的，如氫(輕的氣)、溴(臭的水)、鉑(白色的金，同時也是外文名字的譯音)等。

　　周期律對化學的發展起著重大的推動作用。根據周期律，門捷列夫曾預言當時尚未發現的元素的存在和性質。周期律還指導了對元素及其化合物性質的系統研究，成為現代物質結構理論發展的基礎。系統無機化學一般就是指按周期分類對元素及其化合物的性質、結構及其反應所進行的敘述和討論。

　　19世紀末的一系列發現，開創了現代無機化學；1895年倫琴發現 X射線；1896年貝克勒爾發現鈾的放射性；1897年湯姆遜發現電子；1898年，居里夫婦發現釙和鐳的放射性。20世紀初盧瑟福和玻爾提出原子是由原子核和電子所組成的結構模型，改變了道爾頓原子學說的原子不可再分的觀念。

　　1916年科塞爾提出電價鍵理論，路易斯提出共價鍵理論，圓滿地解釋了元素的原子價和化合物的結構等問題。1924年，德布羅意提出電子等物質微粒具有波粒二象性的理論；1926年，薛定諤建立微粒運動的波動方程；次年，海特勒和倫敦應用量子力學處理氫分子，證明在氫分子中的兩個氫核間，電子幾率密度有顯著的集中，從而提出了化學鍵的現代觀點。

　　此后，經過幾方面的工作，發展成為化學鍵的價鍵理論、分子軌道理論和配位場理論。這三個基本理論是現代無機化學的理論基礎。

無機化學的研究內容

　　無機化學在成立之初，其知識內容已有四類，即事實、概念、定律和學說。

　　用感官直接觀察事物所得的材料，稱為事實；對于事物的具體特征加以分析、比較、綜合和概括得到概念，如元素、化合物、化合、化分、氧化、還原、原子等皆是無機化學最初明確的概念；組合相應的概念以概括相同的事實則成定律，例如，不同元素化合成各種各樣的化合物，總結它們的定量關系得出質量守恒、定比、倍比等定律；建立新概念以說明有關的定律，該新概念又經實驗證明為正確的，即成學說。例如，原子學說可以說明當時已成立的有關元素化合重量關系的各定律。

　　化學知識的這種派生關系表明它們之間的內在聯系。定律綜合事實，學說解釋并貫串定律，從而把整個化學內容組織成為一個有系統的科學知識。人們認為近代化學是在道爾頓創立原子學說之后建立起來的，因為該學說把當時的化學內容進行了科學系統化。

　　系統的化學知識是按照科學方法進行研究的。科學方法主要分為三步：

　　搜集事實  搜集的方法有觀察和實驗。實驗是控制條件下的觀察。化學研究特別重視實驗，因為自然界的化學變化現象都很復雜，直接觀察不易得到事物的本質。例如，鐵生銹是常見的化學變化，若不控制發生作用的條件，如水氣、氧、二氧化碳、空氣中的雜質和溫度等就不易了解所起的反應和所形成的產物。

　　無論觀察或實驗，所搜集的事實必須切實準確。化學實驗中的各種操作，如沉淀、過濾、灼燒、稱重、蒸餾、滴定、結晶、萃取等等，都是在控制條件下獲得正確可*事實知識的實驗手段。正確知識的獲得，既要*熟練的技術，也要*精密的儀器，近代化學是由天平的應用開始的。通過對每一現象的測量，并用數字表示，才算對此現象有了確切知識。

　　建立定律  古代化學工藝和金丹術積累的化學知識雖然很多，但不能稱為科學。要知識成為科學，必須將搜集到的大量事實加以分析比較，去粗取精，由此及彼地將類似的事實歸納成為定律。例如普魯斯特注意化合物的成分，他分析了大量的、采自世界各地的、天然的和人工合成的多種化合物，經過八年的努力后發現每一種化合物的組成都是完全相同的，于是歸納這類事實，提出定比定律。

　　創立學說  化學定律雖比事實為少，但為數仍多，而且各自分立，互不相關。化學家要求理解各定律的意義及其相互關系。道爾頓由表及里地提出物質由原子構成的概念，創立原子學說，解釋了關于元素化合和化合物變化的重量關系的各個定律，并使之連貫起來，從而將化學知識按其形成的層次組織成為一門系統的科學。

　　由于各學科的深入發展和學科間的相互滲透，形成許多跨學科的新的研究領域。無機化學與其他學科結合而形成的新興研究領域很多，例如生物無機化學就是無機化學與生物化學結合的邊緣學科。

　　現代物理實驗方法如：X射線、中子衍射、電子衍射、磁共振、光譜、質譜、色譜等方法的應用，使無機物的研究由宏觀深入到微觀，從而將元素及其化合物的性質和反應同結構聯系起來，形成現代無機化學。現代無機化學就是應用現代物理技術及物質微觀結構的觀點來研究和闡述化學元素及其所有無機化合物的組成、性能、結構和反應的科學。無機化學的發展趨向主要是新型化合物的合成和應用，以及新研究領域的開辟和建立。