Chimie Inorganique

Que sont les composés inorganiques ?

Avant d'aller plus loin, définissons d'abord les composés inorganiques.

Cette définition peut sembler large - elle l'est ! Elle englobe tous les autres éléments du monde.

Jette un coup d'œil au tableau périodique ci-dessous. Le carbone y est surligné en rose. En chimie inorganique, nous étudions les composés fabriqués à partir de tous les autres éléments, des halogènes aux métaux de transition et tout ce qui se trouve entre les deux.

Le tableau périodique. La chimie inorganique se concentre sur les composés qui ne sont pas à base de carbone. Ici, le carbone est représenté en rose. Originaux de StudySmarter

Pour revenir à l'un de nos exemples du début, les batteries des voitures diesel et à essence sont constituées d'électrodes placées dans une solution. L'électrode positive, l'anode, est recouverte de dioxyde de plomb tandis que l'électrode négative, la cathode, est constituée d'une grille en alliage de plomb remplie de plomb spongieux. La solution qui relie les deux électrodes est généralement de l'acide sulfurique. C'est ce qu'on appelle l'électrolyte. D'autre part, les voitures électriques contiennent des batteries avec une anode en graphite, une cathode en oxyde métallique mixte et un électrolyte lithium-ion. Tu étudieras toutes sortes de substances comme celles-ci en chimie minérale. En fait, la chimie inorganique joue un rôle essentiel dans de nombreux domaines de la vie. Par exemple, nous utilisons la chimie inorganique pour concevoir et développer des produits tels que des catalyseurs, des peintures, des batteries, des surfactants, des nettoyants, des bijoux et des médicaments.

Schéma simplifié de la batterie d'une voiture électrique. Anna Brewer ÉtudeSmarter Originals

Les bases de la chimie inorganique

Voyons maintenant quelques-unes des idées de base que tu rencontreras en chimie inorganique.

Le tableau périodique

Le tableau périodique tel que nous le connaissons aujourd'hui est basé sur celui créé par le chimiste russe Dmitri Mendeleïev. Il a utilisé ses connaissances sur les propriétés des éléments pour les ordonner en lignes et en colonnes, et a même laissé des vides pour les éléments non découverts.

Le tableau périodique :

• Possède des colonnes appelées groupes et des lignes appelées périodes. Parmi les groupes notables, on trouve les métaux alcalins (groupe 1) et les halogènes (groupe 7, également connu sous le nom de groupe 17).
• Présente ce que l'on appelle une périodicité. Cela signifie qu'il contient des motifs qui se répètent à chaque ligne.
• Est organisée en blocs.
• Contient des métaux, des non-métaux et des métalloïdes. Les métaux sont généralement considérés comme des éléments qui perdent des électrons pour former des ions positifs, tandis que les non-métaux gagnent des électrons pour former des ions négatifs. Les métalloïdes se situent entre les deux.

Le tableau périodique divisé en quatre blocs,
User:DePiep, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Ions

Lescations sont des ions positifs tandis que les anions sont des ions négatifs.

Les états d'oxydation

Tu as peut-être déjà vu des espèces telles que $\mathrm{Fe}\left(\mathrm{II}\right)$ avant. Tu peux aussi trouver $\mathrm{Fe}\left(\mathrm{III}\right)$. Quelle est la différence entre ces deux espèces ?

Eh bien, ces espèces ont des états d'oxydation différents.

Les états d'oxydation sont très utiles dans les réactions d'oxydoréduction, que tu verras plus loin. Nous les représentons à l'aide de chiffres en exposant ou de chiffres romains. Par exemple, $\mathrm{Fe}\left(\mathrm{II}\right)$ a un état d'oxydation de 2+ et peut également être écrit comme suit ${\mathrm{Fe}}^{2+}$. Cela signifie qu'il a perdu deux électrons par rapport à un atome de fer neutre.

L'oxydoréduction

Redox est un terme que nous utilisons pour décrire les réactions d'oxydation-réduction, que tu rencontreras en chimie physique. Cependant, elles sont également importantes en chimie inorganique.

Des tas de composés inorganiques se forment lors de réactions d'oxydoréduction. Regarde l'exemple entre le sulfate de zinc et le sulfate de cuivre :

$\mathrm{Zn}\left(\mathrm{s}\right)+{\mathrm{CuSO}}_4\left(\mathrm{aq}\right)\to {\mathrm{ZnSO}}_4\left(\mathrm{aq}\right)+\mathrm{Cu}\left(\mathrm{s}\right)$

Nous pouvons montrer qu'il s'agit d'une réaction d'oxydoréduction en utilisant les états d'oxydation :

$\mathrm{Zn}+{\mathrm{Cu}}^{2+}\to {\mathrm{Zn}}^{2+}+\mathrm{Cu}$

Note ce qui suit :

• Le zinc est oxydé car il perd des électrons.
• Le cuivre est réduit parce qu'il gagne des électrons.
• Le zinc agit comme un agent réducteur parce qu'il réduit le cuivre.
• Le cuivre agit comme un agent oxydant car il oxyde le zinc.

Acides et bases

Les acides et les bases sont également abordés dans le cadre de la chimie physique, mais ils sont également pertinents ici.

Certains éléments et composés sont de bien meilleurs acides ou bases que d'autres, et tu en apprendras un peu plus à ce sujet en chimie inorganique.

États de transition

Imagine que tu exécutes une réaction au ralenti et que tu prennes une photo à mi-chemin. Si tu zoomes de près, tu pourras voir que certaines des liaisons initiales des réactifs se sont brisées mais que de nouvelles liaisons ne se sont pas tout à fait formées, ou que des composés intermédiaires se sont formés à la place. C'est un exemple d'état de transition.

L'état de transition d'une réaction. Anna Brewer, StudySmarter Originals

Types de composés

La chimie organique est remplie de molécules comme les alcènes, les alcools et les amines. Mais en chimie inorganique, tu as beaucoup plus de chances de trouver des sels, des oxydes et des métalloïdes:

• Un sel est un composé ionique formé lorsqu'un ion positif se lie à un ion négatif par attraction électrostatique. Tu as peut-être déjà rencontré les sels en chimie physique, dans la rubrique Liaison ionique.
• Un minéral est un solide inorganique naturel ayant une composition chimique définie et une structure cristalline. Cela signifie qu'il contient un arrangement répétitif régulier d'atomes.
• Lesoxydes sont des composés contenant au moins un ion d'oxygène avec un état d'oxydation de 2+
• Les nitrates sont des composés contenant l'ion ${{\mathrm{NO}}_3}^{-}$ ion.
• Les sulfates sont des composés contenant l'ion ${{\mathrm{SO}}_4}^{2-}$ ion.
• Lescomposés organométalliques traversent le pont entre la chimie organique et la chimie inorganique. Ce sont des composés contenant au moins une liaison entre un atome de carbone dans un composé organique, et un métal ou un métalloïde.

Thèmes de la chimie inorganique

En chimie inorganique, tu étudieras une variété de sujets, allant de la périodicité et des métaux du groupe 2 aux halogènes et aux ions. Explorons-en quelques-uns ci-dessous.

Périodicité et tendances

Comme nous l'avons mentionné précédemment, le tableau périodique présente une périodicité: il contient des motifs qui se répètent sur chaque ligne du tableau. Cela signifie qu'en descendant dans une colonne du tableau périodique, appelée groupe, tu constateras que les éléments réagissent tous de la même manière. (Regarde la rubrique Périodicité et tendances pour explorer certaines des tendances du tableau périodique, notamment les rayons atomiques et l'énergie d'ionisation). En connaissant ces caractéristiques, il est beaucoup plus facile de prédire la réaction d'un élément. Tu te concentreras plus particulièrement sur les éléments de la période 3.

Groupes 2 et 7

Le groupe 2 contient les métaux alcalino-terreux tandis que le groupe 7 (également connu sous le nom de groupe 17) contient les halogènes, une famille de non-métaux. Dans ces deux sujets, tu exploreras leurs propriétés chimiques et physiques. Par exemple :

• Comment la réactivité change-t-elle au fur et à mesure que l'on descend dans le groupe 2 ?
• Quels sont les composés du groupe 2 qui sont solubles et ceux qui ne le sont pas ?
• Quel halogène a la meilleure capacité d'oxydation ?
• Quelles sont les utilisations du chlore ?

Métaux de transition

Après cela, tu visiteras les métaux de transition.

Les métaux de transition partagent quatre propriétés communes :

• Ils ont des états d'oxydation variables.
• Ils ont des couleurs vives.
• Ce sont de bons catalyseurs.
• Ils forment des ions complexes. Un ion complexe est un composé formé lorsqu'un métal de transition se lie à d'autres espèces, appelées ligands, à l'aide de liaisons covalentes coordonnées ou datives.

Tu apprendras tout à ce sujet dans Métaux de transition.

Réactions des ions en solution aqueuse

Enfin, dans cette rubrique, tu approfondiras la question des ions et de l'acidité.

• Pourquoi certains métaux sont-ils de meilleurs acides que d'autres ?
• Qu'est-ce que la chélation ?
• Comment l'eau est-elle remplacée dans les réactions de substitution de ligands ?

Autres sujets en chimie inorganique

La chimie inorganique ne s'arrête pas aux sujets que nous avons explorés ci-dessus. D'autres exemples incluent les métaux du groupe 1, connus sous le nom de métaux alcalins, l'électrolyse, le groupe 4 et l'extraction des métaux.