무기화학은 탄소 기반이 아닌 화합물을 다루는 화학의 한 분야로, 촉매, 재료 과학, 안료, 계면활성제, 코팅, 의약품, 연료, 농업 등 화학 산업의 모든 측면에 응용됩니다. 유기화학에 비해 덜 알려져 있지만, 금속과 광물, 다양한 이온 등 자연에서 흔히 볼 수 있는 물질들을 연구 대상으로 삼습니다. 무기화합물은 pyrite로서의 iron sulfide나 gypsum으로서의 calcium sulfate처럼 토양에서 발견되며, sodium chloride 같은 전해질, ATP의 에너지 저장, DNA의 polyphosphate backbone 구조 등 생체 분자로도 활약합니다.
무기화합물의 결합 특성과 화학적 다양성
무기화합물은 매우 다양한 결합 특성을 보여줍니다. 일부는 ionic compounds로서 매우 단순한 양이온과 음이온이 ionic bonding으로 결합된 형태입니다. 대표적인 salts의 예로는 magnesium cations Mg2+와 chloride anions Cl−로 구성된 magnesium chloride MgCl2, 그리고 sodium cations Na+와 hydroxide anions OH−로 이루어진 sodium hydroxide NaOH가 있습니다. 반면 sulfur dioxide나 iron pentacarbonyl처럼 고도로 공유결합성을 띠는 무기화합물도 존재합니다.
많은 무기화합물은 polar covalent bonding을 특징으로 하는데, 이는 covalent와 ionic bonding의 중간 형태입니다. 이러한 설명은 많은 oxides, carbonates, halides에 적용됩니다. 무기화합물은 높은 녹는점으로 특징지어지며, NaCl 같은 일부 salts는 물에 매우 잘 녹습니다. 반응물이 수소 원자를 포함할 때, acid-base chemistry에서 protons를 교환하여 반응이 일어날 수 있습니다. 더 일반적인 정의로는 전자쌍에 결합할 수 있는 화학종을 Lewis acid라고 하며, 반대로 전자쌍을 기부하려는 분자를 Lewis base라고 합니다. HSAB theory는 acid-base 상호작용을 정제하여 이온의 polarizability와 크기를 고려합니다.
색이 있는 결정이나 금속의 반응처럼 눈으로 바로 확인할 수 있는 변화는 무기화학의 매력적인 측면입니다. 실제로 대부분의 유기화합물과 달리 많은 무기화합물은 자성을 띠거나 색을 가지고 있습니다. 예를 들어 대부분의 copper(II) 화합물은 paramagnetic이지만, CuII2(OAc)4(H2O)2는 실온 이하에서 거의 diamagnetic입니다. 이는 acetate 내 Cu(II) 위치 쌍 사이의 magnetic coupling 때문입니다. Crystal field theory는 [FeIII(CN)6]3−가 왜 단 하나의 unpaired electron만 가지는지를 설명해 줍니다.
산업 응용과 실용적 무기화학
무기화학은 매우 실용적인 과학 분야입니다. 전통적으로 한 국가 경제의 규모는 sulfuric acid의 생산성으로 평가될 수 있었습니다. 중요한 인공 무기화합물인 ammonium nitrate는 비료로 사용됩니다. ammonia는 Haber process를 통해 생산되며, Nitric acid는 암모니아를 산화시켜 준비됩니다. 또 다른 대규모 무기 재료는 portland cement입니다.
무기화합물은 촉매로도 사용되는데, sulfur dioxide의 산화를 위한 vanadium(V) oxide와 alkenes의 중합을 위한 titanium(III) chloride가 그 예입니다. 많은 무기화합물은 lithium aluminium hydride처럼 유기화학에서 시약으로 사용됩니다. 무기화학의 하위 분야는 수많지만, organometallic chemistry(금속-탄소 결합을 가진 화합물), cluster chemistry(metal–metal bonds 또는 bridging ligands로 여러 금속이 결합된 화합물), bioinorganic chemistry(금속을 포함한 생체분자), materials chemistry와 solid state chemistry(분자가 아닌 확장된 고체) 등이 포함됩니다.
산업적으로 중요한 촉매 분야는 금속이 유기 ligands의 반응성을 변형시키는 능력에 달려 있습니다. Homogeneous catalysis는 용액에서 발생하고 heterogeneous catalysis는 기체 또는 용해된 기질이 고체 표면과 상호작용할 때 발생합니다. 전이금속은 CO, H2, O2, C2H4 같은 작은 분자와 반응하는 거의 유일한 원소입니다. 이러한 원료의 산업적 중요성이 촉매 분야를 활발하게 만들고 있습니다. 무기화학은 화려하지 않지만 산업과 기술의 기초를 묵묵히 떠받치는 든든한 학문입니다.
분광학과 특성 분석 기법
무기화합물의 다양한 원소 범위와 그에 따른 생성물의 다양한 특성 때문에, 무기화학은 많은 분석 방법과 밀접하게 연결되어 있습니다. 오래된 방법들은 용액의 electrical conductivity, melting points, solubility, acidity 같은 bulk properties를 조사하는 경향이 있었습니다. 양자 이론의 출현과 전자 장비의 확장으로 무기 분자와 고체의 전자적 특성을 탐사하는 새로운 도구들이 도입되었습니다.
일반적으로 사용되는 기술로는 X-ray crystallography(분자 구조의 3D 결정), Ultraviolet-visible spectroscopy(많은 무기화합물이 강한 색을 띠기 때문에 역사적으로 중요한 도구), NMR spectroscopy(1H와 13C 외에도 11B, 19F, 31P, 195Pt 같은 많은 NMR-active nuclei가 화합물 특성과 구조에 대한 중요한 정보 제공), Infrared spectroscopy(주로 carbonyl ligands의 흡수), Electron nuclear double resonance (ENDOR) spectroscopy, Mössbauer spectroscopy, Electron-spin resonance(paramagnetic metal centres의 환경 측정), Electrochemistry(Cyclic voltammetry 및 관련 기술로 화합물의 redox 특성 조사) 등이 있습니다.
분자 대칭은 Group theory로 구현되는 화학의 구성 요소입니다. 무기화합물은 특히 다양한 대칭성을 보여주므로 Group Theory가 무기화학과 밀접하게 연관되어 있는 것은 논리적입니다. Group theory는 point group symmetry에 따라 분자의 모양을 설명하는 언어를 제공합니다. 대칭 특성에 대한 지식은 vibrational 및 electronic spectra에서 흡수의 수와 강도를 예측할 수 있게 합니다. 예를 들어 nitrogen dioxide NO2는 C2v symmetry를 나타냅니다. 금속 기반 궤도는 WF6와 W(CO)6에서 동일하게 변환되지만, 이러한 궤도의 에너지와 개체수는 크게 다릅니다.
무기화합물은 일부 순수한 형태로 자연에서 얻을 수 있지만, 대부분은 화학 공장과 실험실에서 합성됩니다. 무기 합성 방법은 성분 반응물의 volatility 또는 solubility에 따라 대략 분류할 수 있습니다. 공기에 반응성이 있는 금속 함유 화합물의 경우 Schlenk line과 glove box 기술이 사용됩니다. 휘발성 화합물과 기체는 valve를 통해 상호 연결된 유리 배관으로 구성된 "vacuum manifolds"에서 조작되며, 전체를 0.001 mm Hg 이하로 진공 처리할 수 있습니다.
무기화학은 금속, 광물, 이온처럼 세상의 기본 재료를 다루는 중요한 학문입니다. coordination compounds에서 solid state chemistry에 이르기까지, bioinorganic chemistry에서 industrial applications에 이르기까지 그 범위는 매우 광범위합니다. hemoglobin, vitamin B12 같은 생체 분자부터 YBa2Cu3O7 같은 high temperature superconductor까지, 무기화학은 우리 삶의 모든 측면에 기여하고 있습니다. 눈으로 확인할 수 있는 화려한 변화와 함께, 보이지 않는 곳에서 현대 문명의 토대를 제공하는 필수적인 과학 분야입니다.
[출처]
Inorganic chemistry - Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Inorganic_chemistry