అకర్బన రసాయన శాస్త్రం
అకర్బన రసాయన శాస్త్రం (Inorganic chemistry) అనేది రసాయన శాస్త్రం (Chemistry) లో ఒక అతిపెద్ద విభాగం. కార్బన్ (Carbon), హైడ్రోజన్ (Hydrogen) పరమాణువుల మధ్య బంధం లేని సమ్మేళనాల తయారీని, వాటి ప్రవర్తనను గురించి చదివే శాస్త్రాన్ని అకర్బన రసాయన శాస్త్రం అంటారు. ఇటువంటి పదార్థాలను అకర్బన సమ్మేళనాలు (Inorganic compounds) అని పిలుస్తారు. దీనిలో ఆర్గానోమెటాలిక్ కెమిస్ట్రీ (Organometallic chemistry) కూడా ఒక భాగం. అంటే ఒక కర్బన అణువులోని కార్బన్ పరమాణువుకు, ఒక లోహం (Metal) కు మధ్య బంధం ఉన్న రసాయన సమ్మేళనాల గురించి కూడా ఇది వివరిస్తుంది.
ఈ విభాగం కర్బన రసాయన శాస్త్రం (Organic chemistry) కంటే భిన్నంగా ఉంటుంది, ఎందుకంటే కర్బన రసాయన శాస్త్రం ప్రధానంగా కార్బన్ ఆధారిత పదార్థాల గురించి చర్చిస్తుంది. అయితే, ఈ రెండు విభాగాలు తరచుగా ఒకదానితో ఒకటి కలిసి ఉంటాయి. ఉదాహరణకు, కొన్ని రసాయనాలలో లోహ భాగాలు, కర్బన భాగాలు రెండూ ఉంటాయి. అకర్బన రసాయన శాస్త్రం అనేక పరిశ్రమలకు ఎంతో ముఖ్యం. దీనిని ఉత్ప్రేరకాలు (Catalysts), పదార్థ విజ్ఞానం (Materials science), రంగులు (Pigments), సబ్బులు (Soaps), పెయింట్లు (Paints), మందులు (ఔషధాలు), ఇంధనాలు (Fuels), వ్యవసాయ రసాయనాల తయారీలో ఉపయోగిస్తారు.[1]
ప్రకృతిలో లభ్యత
[మార్చు]చాలా అకర్బన సమ్మేళనాలు భూమిలో ఖనిజాలు (Minerals) గా దొరుకుతాయి.[2] ఉదాహరణకు, మట్టిలో ఐరన్ సల్ఫైడ్ (Iron sulfide) అనేది 'పైరైట్' (Pyrite) రూపంలో ఉండవచ్చు. దీనిని చూడటానికి బంగారంలా ఉంటుందని "fool's gold" అని కూడా అంటారు. అలాగే మట్టిలో కాల్షియం సల్ఫేట్ (Calcium sulfate) కూడా ఉంటుంది, దీనినే మనం 'జిప్సం' (Gypsum) అని పిలుస్తాము.[3][4]
జీవుల మనుగడకు కూడా అకర్బన భాగాలు చాలా ముఖ్యం. ఇవి జీవ అణువులు (Biomolecules) గా పనిచేస్తాయి. కొన్ని ఉదాహరణలు ఇక్కడ ఉన్నాయి:
సోడియం క్లోరైడ్: దీనిని మనం తినే ఉప్పు అంటాము. ఇది శరీరంలో ఎలక్ట్రోలైట్ (Electrolyte) గా పనిచేసి ద్రవాల సమతుల్యతను కాపాడుతుంది.
ATP: ఇది కణాలలో శక్తిని నిల్వ చేయడానికి ఉపయోగపడుతుంది.
DNA: డిఎన్ఏ (DNA) లోని వెన్నెముక వంటి నిర్మాణం పాలిఫాస్ఫేట్ (Polyphosphate) తో తయారవుతుంది. ఇది ఒక అకర్బన పదార్థం.
రసాయన బంధం
[మార్చు]అకర్బన సమ్మేళనాలు ఒకదానికొకటి అతుక్కుని ఉండటానికి రకరకాల మార్గాలు ఉన్నాయి. దీనినే మనం రసాయన బంధం (Chemical bonding) అని అంటాము.
అయాన్ సమ్మేళనాలు
[మార్చు]చాలా అకర్బన పదార్థాలు అయాన్ రూపంలో ఉంటాయి. ఇవి ధన విద్యుత్ ఉన్న కాటయాన్ (Cation) లు, రుణ విద్యుత్ ఉన్న ఆనయాన్ (Anion) లతో తయారవుతాయి. విరుద్ధ విద్యుత్ ఆవేశాల మధ్య ఉండే ఆకర్షణ వల్ల ఇవి అతుక్కుని ఉంటాయి. దీనినే అయాన్ బంధం (Ionic bond) అంటారు. వీటిని సాధారణంగా లవణాలు లేదా ఉప్పులు (Salts) అని పిలుస్తారు.
మెగ్నీషియం క్లోరైడ్ (MgCl2) ఒక లవణం. ఇందులో మెగ్నీషియం కాటయాన్లు (Mg2+), క్లోరైడ్ ఆనయాన్లు (Cl−) ఉంటాయి.
సోడియం హైడ్రాక్సైడ్ (NaOH) మరొక ఉదాహరణ. ఇందులో సోడియం కాటయాన్లు (Na+), హైడ్రాక్సైడ్ ఆనయాన్లు (OH−) ఉంటాయి.
సమయోజనీయ సమ్మేళనాలు
[మార్చు]కొన్ని అకర్బన పదార్థాలలో సమయోజనీయ బంధం (Covalent bond) ఉంటుంది. అంటే ఇక్కడ పరమాణువులు ఎలక్ట్రాన్లను పంచుకుంటాయి. ఉదాహరణకు సల్ఫర్ డై ఆక్సైడ్, ఐరన్ పెంటాకార్బొనైల్ వంటివి. మరికొన్ని పదార్థాలలో "ధ్రువ సమయోజనీయ" (Polar covalent) బంధాలు ఉంటాయి. ఇది అయాన్ బంధానికి, సమయోజనీయ బంధానికి మధ్యస్థంగా ఉంటుంది. చాలా ఆక్సైడ్లు (Oxides), హాలైడ్లలో (Halides) ఇది కనిపిస్తుంది. అకర్బన సమ్మేళనాలకు సాధారణంగా చాలా ఎక్కువ ద్రవీభవన స్థానం (Melting point) ఉంటుంది. వీటిలో కొన్ని నీటిలో సులభంగా కరుగుతాయి.
ఆమ్లాలు మరియు క్షారాలు
[మార్చు]అకర్బన రసాయన శాస్త్రంలో ఆమ్లాలు, క్షారాల సిద్ధాంతాలు చాలా ముఖ్యం. లూయిస్ ఆమ్లం (Lewis acid) అంటే ఎలక్ట్రాన్ జంటను తీసుకోగల పదార్థం. లూయిస్ క్షారం (Lewis base) అంటే ఎలక్ట్రాన్ జంటను ఇవ్వగల పదార్థం.[5] అయాన్ల పరిమాణం, వాటిపై ఉన్న చార్జ్ ఆధారంగా ఇవి ఎలా ప్రతిస్పందిస్తాయో అర్థం చేసుకోవడానికి శాస్త్రవేత్తలు HSAB సిద్ధాంతం (HSAB theory) కూడా ఉపయోగిస్తారు.
అకర్బన రసాయన శాస్త్ర విభాగాలు
[మార్చు]అకర్బన రసాయన శాస్త్రాన్ని అనేక చిన్న భాగాలుగా విభజించవచ్చు:
| విభాగం | వివరణ | ఉదాహరణలు |
|---|---|---|
| ఆర్గానోమెటాలిక్ రసాయన శాస్త్రం (Organometallic chemistry) | లోహం-కార్బన్ బంధాలు ఉన్న సమ్మేళనాలు. | ఫెర్రోసీన్ (Ferrocene) |
| క్లస్టర్ కెమిస్ట్రీ (Cluster chemistry) | లోహ పరమాణువుల గుంపులు ఒకదానితో ఒకటి బంధం కలిగి ఉండటం. | డెకాబోరేన్ (Decaborane) |
| జీవ అకర్బన రసాయన శాస్త్రం (Bioinorganic chemistry) | జీవుల శరీరంలో ఉండే లోహాల గురించి చదువుతుంది. | హిమోగ్లోబిన్ (Hemoglobin) |
| ఘన స్థితి రసాయన శాస్త్రం (Solid state chemistry) | ఘన పదార్థాల నిర్మాణం గురించి చదువుతుంది. | సిరామిక్స్, సిలికాన్ చిప్స్ |
పారిశ్రామిక ఉపయోగాలు
[మార్చు]అకర్బన రసాయన శాస్త్రం వ్యాపారానికి, ఆర్థిక వ్యవస్థకు చాలా సహాయపడుతుంది. పాత రోజుల్లో, ఒక దేశం ఎంత సల్ఫ్యూరిక్ ఆమ్లం తయారు చేస్తుందనే దానిపై ఆ దేశం ఎంత ధనవంతుదో నిర్ణయించేవారు.
అమ్మోనియం నైట్రేట్: ఇది చాలా ముఖ్యమైన మానవ నిర్మిత రసాయనం. మొక్కలు పెరగడానికి దీనిని ఎరువుగా ఉపయోగిస్తారు.
అమ్మోనియా: దీనిని హాబర్ ప్రక్రియ (Haber process) ద్వారా తయారు చేస్తారు.[6] దీనిని నైట్రిక్ ఆమ్లం, ఇతర రసాయనాల తయారీలో వాడతారు.
పోర్ట్ల్యాండ్ సిమెంట్: భవనాలు, రోడ్లు నిర్మించడానికి దీనిని ఉపయోగిస్తారు.
ఉత్ప్రేరకాలు (Catalysts): ఇవి రసాయన చర్యలు వేగంగా జరగడానికి సహాయపడతాయి. ఉదాహరణకు, సల్ఫ్యూరిక్ ఆమ్లం తయారీలో వనాడియం పెంటాక్సైడ్ వాడతారు. ప్లాస్టిక్ తయారీలో టైటానియం క్లోరైడ్ ఉపయోగిస్తారు.
అకర్బన రసాయన శాస్త్ర వివరణాత్మక అంశాలు
[మార్చు]ఈ విభాగం రసాయనాలకు పేర్లు పెట్టడం, అవి దేనితో తయారయ్యాయి, ఎలా ప్రవర్తిస్తాయి అనే అంశాలపై దృష్టి పెడుతుంది.
సమన్వయ సమ్మేళనాలు
[మార్చు]
ఈ సమ్మేళనాలలో ఒక కేంద్ర లోహ పరమాణువు ఉంటుంది. దీని చుట్టూ లిగాండ్ (Ligand) లు అనే అణువులు ఉంటాయి. లిగాండ్లు నీరు (H2O) లేదా అమ్మోనియా (NH3) లాగా సరళంగా ఉండవచ్చు. ఇవి లోహానికి ఎలక్ట్రాన్లను ఇస్తాయి. ఈ సమ్మేళనాలు రకరకాల ఆకారాలలో ఉంటాయి. కొన్ని పిరమిడ్ ఆకారంలో (Tetrahedral), కొన్ని చతురస్రంగా (Square planar) లేదా ఎనిమిది భుజాలతో (Octahedral) ఉంటాయి. జీవశాస్త్రంలో ఈ ఆకారాలు చాలా ముఖ్యం. ఉదాహరణకు, రక్తం లోని ఇనుము (హిమోగ్లోబిన్) ఒక సమన్వయ సమ్మేళనం లో భాగం.
ఉదాహరణలు: సిస్ ప్లాటిన్ (క్యాన్సర్ మందు), ఐరన్ పెంటాకార్బొనైల్, టైటానియం టెట్రాక్లోరైడ్.
ప్రధాన సమూహ సమ్మేళనాలు
[మార్చు]
ఆవర్తన పట్టిక (Periodic table) లోని 1, 2 మరియు 13 నుండి 18 గ్రూపులకు చెందిన మూలకాలు ఇందులో ఉంటాయి. ఇవి చాలా కాలం నుండి మనకు తెలుసు. ఉదాహరణకు, గంధకం (Sulfur), భాస్వరం (Phosphorus) ఈ కోవకు చెందినవే. ఆంటోనీ లావోయిజర్, జోసెఫ్ ప్రిస్టిలీ ఆక్సిజన్ (O2) గురించి పరిశోధనలు చేశారు, ఇది ఒక ప్రధాన సమూహ వాయువు. రసాయన చర్యలు నిర్ణీత పరిమాణాలలో ఎలా జరుగుతాయో అర్థం చేసుకోవడానికి ఇది సహాయపడింది. దీనినే స్టోయికియోమెట్రీ (Stoichiometry) అంటారు. ప్రకృతిలో సిలికాన్ డై ఆక్సైడ్ (ఇసుక), డిఎన్ఏ లోని ఫాస్ఫేట్లు వంటివి ఎన్నో ఉన్నాయి.
ఉదాహరణలు: డైబోరేన్, సిలికోన్లు, జెనాన్ హెక్సాఫ్లోరైడ్.
ఆర్గానోమెటాలిక్ సమ్మేళనాలు
[మార్చు]
ఒక లోహానికి, కార్బన్ పరమాణువుకు మధ్య నేరుగా బంధం ఉన్న రసాయనాలను ఆర్గానోమెటాలిక్ సమ్మేళనాలు అంటారు. ఇవి గాలి లేదా నీరు తగిలితే వెంటనే పాడైపోతాయి. అందుకే వీటితో పనిచేసేటప్పుడు శాస్త్రవేత్తలు ప్రత్యేక జాగ్రత్తలు తీసుకుంటారు. ప్లాస్టిక్ తయారీలో, ఇతర పరిశ్రమలలో ఇవి చాలా కీలక పాత్ర పోషిస్తాయి.
ఉదాహరణలు: ఫెర్రోసీన్, మాలిబ్డినం హెక్సాకార్బొనైల్.
క్లస్టర్ సమ్మేళనాలు
[మార్చు]
కొన్ని పరమాణువులు అన్నీ కలిసి ఒక ఆకారాన్ని (ఉదాహరణకు త్రిభుజం) ఏర్పరిస్తే దానిని క్లస్టర్ అంటారు. ఇవి లోహాలతో లేదా ఇతర మూలకాలతో తయారవుతాయి. పెద్ద క్లస్టర్లు ఒకే అణువుకు, ఒక ఘన లోహపు ముక్కకు మధ్య స్థితిలో ఉంటాయి. ఇదే నానోటెక్నాలజీ (Nanotechnology) కి పునాది.
ఉదాహరణలు: ఐరన్-సల్ఫర్ ప్రోటీన్ క్లస్టర్లు. ఇవి మనుషులు ఆహారాన్ని శక్తిగా మార్చుకోవడానికి సహాయపడతాయి.
జీవ అకర్బన సమ్మేళనాలు (Bioinorganic Compounds)
[మార్చు]ప్రకృతిలో సహజంగా కనిపించే అకర్బన రసాయనాలను ఇక్కడ చర్చిస్తారు. రక్తం లోని ఇనుము, ఎముకలలోని ఖనిజాలు దీని కిందకు వస్తాయి. లోహాలను ఉపయోగించి చేసే మందులు (సిస్ ప్లాటిన్), మిథైల్ మెర్క్యురీ వంటి విష పదార్థాలు కూడా ఇందులో భాగంగా ఉంటాయి.
ఉదాహరణలు: విటమిన్ బి12 (Vitamin B12), దీని మధ్యలో కోబాల్ట్ ఉంటుంది.
ఘన స్థితి సమ్మేళనాలు
[మార్చు]ఈ విభాగం ఘన పదార్థాల నిర్మాణం, వాటి బంధాల గురించి వివరిస్తుంది. పరమాణువులు ఎలా అమరి ఉన్నాయో చూడటానికి శాస్త్రవేత్తలు ఎక్స్-రే క్రిస్టలోగ్రఫీ (X-ray crystallography) ఉపయోగిస్తారు. ఇది పదార్థ విజ్ఞానం (Materials science), భౌతిక శాస్త్రంతో సంబంధం కలిగి ఉంటుంది. కంప్యూటర్లు, ఎలక్ట్రానిక్స్ తయారీలో ఇది ఎంతో ఉపయోగపడుతుంది.
ఉదాహరణలు: అర్ధవాహకాలు (Semiconductors), జియోలైట్లు (Zeolites).
సమరూపత - కాంతి
[మార్చు]అకర్బన రసాయనాలు తరచుగా రంగురంగులుగా ఉంటాయి. అలాగే ఇవి అయస్కాంత ధర్మాలను కలిగి ఉంటాయి. అణువుల ఆకారాలను వివరించడానికి శాస్త్రవేత్తలు గ్రూప్ థియరీ (Group theory) ఉపయోగిస్తారు. అణువుల అమరికను బట్టి ఆ రసాయనం ఎలా స్పందిస్తుందో, దానికి ఏ రంగు ఉంటుందో ముందే చెప్పవచ్చు. పరివర్తన లోహాలకు (Transition metals) ఎందుకు ప్రత్యేక రంగులు, అయస్కాంత శక్తులు ఉంటాయో వివరించడానికి క్రిస్టల్ ఫీల్డ్ సిద్ధాంతం (Crystal field theory) ఉపయోగిస్తారు.
రసాయన చర్యలు జరిగే విధానం
[మార్చు]ఒక రసాయన మార్పు ఏ ఏ దశల్లో జరుగుతుందో చర్యా విధానం (Reaction mechanism) వివరిస్తుంది.
ప్రధాన సమూహం: ఈ మూలకాలు సాధారణంగా 'అష్టక నియమాన్ని' (Octet rule) పాటిస్తాయి. అంటే వీటి చుట్టూ ఎనిమిది ఎలక్ట్రాన్లు ఉండాలని చూస్తాయి. కానీ కొన్ని బరువైన మూలకాలు ఎనిమిది కంటే ఎక్కువ ఎలక్ట్రాన్లను కూడా కలిగి ఉంటాయి.
పరివర్తన లోహాలు: వీటిలో ఉండే d-ఎలక్ట్రాన్ల వల్ల ఇవి భిన్నంగా స్పందిస్తాయి. ఇవి తమకు అతుక్కుని ఉన్న లిగాండ్లను చాలా వేగంగా లేదా చాలా నెమ్మదిగా మార్చుకోగలవు. కొన్ని రసాయనాలు ఒక సెకనులో కొన్ని కోట్ల సార్లు నీటి అణువులను మార్చుకుంటే, మరికొన్ని సంవత్సరాల సమయం తీసుకుంటాయి.
రెడాక్స్ చర్యలు (Redox): ఒక పరమాణువు నుండి మరొక పరమాణువుకు ఎలక్ట్రాన్లు మారే చర్యలను ఇక్కడ చదువుతారు.
ఉత్ప్రేరక చర్య (Catalysis): లోహాలు ఇతర అణువుల మధ్య చర్యలు జరిగే విధానాన్ని మారుస్తాయి. పరిశ్రమలలో మనం వాడే దాదాపు ప్రతి వస్తువు తయారీలో ఇవి అవసరం.
నిర్మాణం కనుగొనడం
[మార్చు]తాము తయారు చేసిన పదార్థం ఎలా ఉందో చూడటానికి రసాయన శాస్త్రవేత్తలు రకరకాల యంత్రాలను ఉపయోగిస్తారు:
ఎక్స్-రే క్రిస్టలోగ్రఫీ: ఇది పరమాణువుల త్రిమితీయ (3D) మ్యాప్ను ఇస్తుంది.
NMR స్పెక్ట్రోస్కోపీ: అయస్కాంతాలను ఉపయోగించి భాస్వరం లేదా ప్లాటినం వంటి పరమాణువుల కేంద్రకాలను పరిశీలిస్తుంది.
ఇన్ఫ్రారెడ్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ: అణువులు ఎలా కంపిస్తాయో చూస్తుంది.
ఎలక్ట్రాన్-స్పిన్ రెసోనెన్స్: అయస్కాంత ధర్మాలను పరిశీలిస్తుంది.
రసాయనాల తయారీ
[మార్చు]చాలా అకర్బన రసాయనాలను ప్రయోగశాలల్లో లేదా కర్మాగారాల్లో తయారు చేస్తారు.
ష్లెంక్ లైన్ (Schlenk line): గాలి తగిలితే పేలిపోయే లేదా మండిపోయే రసాయనాలతో పనిచేయడానికి ఈ పరికరాన్ని వాడుతారు.
గ్లోవ్ బాక్స్ (Glove box): ఇది గాలి చొరబడని పెట్టె. ఇందులో నైట్రోజన్ లేదా ఆర్గాన్ వాయువు నింపి ఉంటుంది. సున్నితమైన పదార్థాలను ఇందులో ఉంచి చేతులకు గ్లౌజులు వేసుకుని పని చేస్తారు.
కొలిమి (Furnace): ఘన పదార్థాల మధ్య చర్యలు జరగడానికి వాటిని చాలా ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద వేడి చేయడానికి దీనిని ఉపయోగిస్తారు.
ఇవి కూడా చూడండి
[మార్చు]ఆధారాలు
[మార్చు]- ↑ "Careers in Chemistry: Inorganic Chemistry". American Chemical Society. Archived from the original on 2012-10-29.
- ↑ Burns, P. C. (2005-12-01). "U6+ Minerals and Inorganic Compounds: Insights into an Expanded Structural Hierarchy of Crystal Structures". The Canadian Mineralogist (in ఇంగ్లీష్). 43 (6): 1839–1894. Bibcode:2005CaMin..43.1839B. doi:10.2113/gscanmin.43.6.1839. ISSN 0008-4476.
- ↑ Shainberg, I.; Sumner, M. E.; Miller, W. P.; Farina, M. P. W.; Pavan, M. A.; Fey, M. V. (1989), Lal, Rattan; Stewart, B. A. (eds.), "Use of Gypsum on Soils: A Review", Soil Restoration, vol. 17, New York, NY: Springer New York, pp. 1–111, doi:10.1007/978-1-4612-3532-3_1, ISBN 978-1-4612-7684-5, retrieved 2022-08-21
{{citation}}: CS1 maint: work parameter with ISBN (link) - ↑ Haaijer, Suzanne C. M.; Lamers, Leon P. M.; Smolders, Alfons J. P.; Jetten, Mike S. M.; Op den Camp, Huub J. M. (2007-08-14). "Iron Sulfide and Pyrite as Potential Electron Donors for Microbial Nitrate Reduction in Freshwater Wetlands". Geomicrobiology Journal (in ఇంగ్లీష్). 24 (5): 391–401. Bibcode:2007GmbJ...24..391H. doi:10.1080/01490450701436489. hdl:2066/34570. ISSN 0149-0451. S2CID 97227345.
- ↑ Jensen, William B. (1978). "The Lewis acid-base definitions: a status report". Chemical Reviews (in ఇంగ్లీష్). 78 (1): 1–22. doi:10.1021/cr60311a002. ISSN 0009-2665.
- ↑ Guo, Jianping; Chen, Ping (2021). "Ammonia history in the making". Nature Catalysis (in ఇంగ్లీష్). 4 (9): 734–735. doi:10.1038/s41929-021-00676-0. ISSN 2520-1158. S2CID 237588318.
