شیمی
شیمی مطالعه علمی خواص و رفتار ماده است. این یک علم طبیعی است که عناصر تشکیل دهنده مواد را برای ترکیبات متشکل از اتم ها ، مولکول ها و یون ها پوشش می دهد: ترکیب ، ساختار ، خواص ، رفتار و تغییراتی که در واکنش با سایر مواد ایجاد می کنند.
در زمینه موضوع خود ، شیمی بین فیزیک و زیست شناسی موقعیت میانی را اشغال می کند.گاهی اوقات به عنوان علم مرکزی نامیده می شود زیرا پایه ای را برای درک رشته های علمی پایه و کاربردی در سطح اساسی فراهم می کند. به عنوان مثال ، شیمی جنبه های شیمی گیاهی (گیاه شناسی) ، تشکیل سنگ های آذرین (زمین شناسی) ، چگونگی تشکیل ازن اتمسفر و چگونگی تخریب آلاینده های محیطی (زیست محیطی) ، خواص خاک روی ماه (کیهان شیمی) ، نحوه توضیح داروها (داروسازی) و نحوه جمع آوری شواهد DNA در صحنه جرم (پزشکی قانونی).
شیمی به موضوعاتی از جمله نحوه تعامل اتم ها و مولکول ها از طریق پیوندهای شیمیایی برای تشکیل ترکیبات شیمیایی جدید می پردازد. دو نوع پیوند شیمیایی وجود دارد: ۱٫ پیوندهای شیمیایی اولیه به عنوان مثال پیوندهای کووالانسی ، که در آنها اتم ها یک یا چند الکترون (ها) مشترک دارند. پیوندهای یونی ، که در آن یک اتم یک یا چند الکترون به اتم دیگر برای تولید یون (کاتیون و آنیون) اهدا می کند. پیوندهای فلزی و ۲٫ پیوندهای شیمیایی ثانویه به عنوان مثال. پیوند های هیدروژنی؛ پیوندهای نیرویی وان در والس ، برهم کنش یون و یون ، برهم کنش دو قطبی و غیره…
علم اشتقاق لغات
واژه شیمی از تغییر کلمه کیمیا گرفته شده است ، که به مجموعه روشهای قبلی اشاره داشت که شامل عناصر شیمی ، متالورژی ، فلسفه ، نجوم ، نجوم ، عرفان و پزشکی بود. کیمیاگری اغلب با تلاش برای تبدیل سرب یا سایر فلزات پایه به طلا در ارتباط است ، اگرچه کیمیاگران همچنین به بسیاری از سوالات شیمی مدرن علاقه مند بودند.
کلمه مدرن کیمیا به نوبه خود از کلمه عربی al-kīmīā (الکیمیاء) گرفته شده است. این ممکن است ریشه مصری داشته باشد زیرا al-kīmīā از یونان باستان χημία گرفته شده است ، که به نوبه خود از کلمه Kemet ، که نام باستان مصر در زبان مصری است ، مشتق شده است.متناوباً ، الکامی ممکن است از χημεία “با هم ترکیب شده” مشتق شده باشد.
اصول مدرن
مدل فعلی ساختار اتمی ، مدل مکانیکی کوانتومی است.شیمی سنتی با مطالعه ذرات بنیادی ، اتم ها ، مولکول ها ، مواد ، فلزات ، کریستال ها و دیگر مصالح ماده آغاز می شود. ماده را می توان در حالت جامد ، مایع ، گاز و پلاسما ، به صورت جداگانه یا ترکیبی مورد مطالعه قرار داد. فعل و انفعالات ، واکنشها و دگرگونی هایی که در شیمی مورد مطالعه قرار می گیرند ، معمولاً نتیجه فعل و انفعالات بین اتم ها هستند که منجر به تنظیم مجدد پیوندهای شیمیایی می شود که اتم ها را در کنار هم نگه می دارد. چنین رفتارهایی در آزمایشگاه شیمی مورد مطالعه قرار می گیرد.
آزمایشگاه شیمی به صورت کلیشه ای از اشکال مختلف ظروف شیشه ای آزمایشگاهی استفاده می کند. با این حال ظروف شیشه ای در شیمی مهم نیستند و بسیاری از شیمی تجربی (و کاربردی/صنعتی) بدون آن انجام می شود.
واکنش شیمیایی عبارت است از تبدیل برخی مواد به یک یا چند ماده مختلف. [۱۳] اساس چنین تغییر شیمیایی بازآرایی مجدد الکترونها در پیوندهای شیمیایی بین اتمها است. می توان آن را به صورت نمادین از طریق یک معادله شیمیایی ، که معمولاً شامل اتم ها به عنوان موضوع است ، نشان داد. تعداد اتم های چپ و راست در معادله برای تبدیل شیمیایی برابر است. (هنگامی که تعداد اتمها در دو طرف نابرابر باشد ، تغییر شکل را واکنش هسته ای یا پوسیدگی رادیواکتیو می نامند.) نوع واکنشهای شیمیایی که ممکن است یک ماده متحمل شود و تغییرات انرژی که ممکن است همراه آن باشد ، توسط برخی قوانین اساسی محدود شده است ، معروف به قوانین شیمیایی
ملاحظات مربوط به انرژی و آنتروپی تقریباً در همه مطالعات شیمیایی مهم است. مواد شیمیایی از نظر ساختار ، فاز و ترکیب شیمیایی طبقه بندی می شوند. آنها را می توان با استفاده از ابزارهای تجزیه و تحلیل شیمیایی ، به عنوان مثال تجزیه و تحلیل کرد. طیف سنجی و کروماتوگرافی. دانشمندانی که مشغول تحقیقات شیمیایی هستند به عنوان شیمی دان شناخته می شوند. [۱۴] اکثر شیمی دانان در یک یا چند زیر رشته تخصص دارند. چندین مفهوم برای مطالعه شیمی ضروری است. برخی از آنها عبارتند از:
موضوع
در شیمی ، ماده به هر چیزی گفته می شود که جرم و حجم استراحت داشته باشد (فضا را اشغال می کند) و از ذرات تشکیل شده است. ذرات تشکیل دهنده ماده نیز دارای جرم استراحت هستند – همه ذرات جرم استراحت ندارند ، مانند فوتون. ماده می تواند یک ماده شیمیایی خالص یا مخلوطی از مواد باشد.
اتم
اتم واحد اصلی شیمی است. این شامل یک هسته متراکم به نام هسته اتمی است که توسط فضایی اشغال شده توسط یک ابر الکترون احاطه شده است. هسته از پروتونهای با بار مثبت و نوترونهای بدون شارژ (که در مجموع نوکلئون نامیده می شوند) تشکیل شده است ، در حالی که ابر الکترون از الکترونهای با بار منفی تشکیل شده است که به دور هسته می چرخند. در اتم خنثی ، الکترونهای دارای بار منفی بار مثبت پروتونها را متعادل می کنند. هسته متراکم است. جرم یک نوکلئون تقریباً ۱۸۳۶ برابر الکترون است ، اما شعاع یک اتم حدود ۱۰ هزار برابر هسته آن است.
اتم همچنین کوچکترین موجودی است که می توان برای حفظ خواص شیمیایی عنصر مانند الکترو منفی ، پتانسیل یونیزاسیون ، حالت (های) اکسیداسیون ترجیحی ، تعداد هماهنگی و انواع پیوندهای ترجیحی برای ایجاد (برای مثال فلزی ، یونی ، کووالانسی).
عنصر
یک عنصر شیمیایی یک ماده خالص است که از یک نوع واحد تشکیل شده است ، با تعداد خاصی از پروتونهای آن در هسته اتمهای خود شناخته می شود ، که به عنوان عدد اتمی شناخته می شود و با نماد Z نشان داده می شود. عدد جرمی مجموع تعداد پروتون ها و نوترون ها در یک هسته. اگرچه تمام هسته های تمام اتم های متعلق به یک عنصر دارای عدد اتمی یکسانی خواهند بود ، اما لزوماً تعداد جرم یکسانی ندارند. اتمهای عنصری که تعداد جرم آنها متفاوت است به عنوان ایزوتوپ شناخته می شوند. به عنوان مثال ، همه اتمهایی که ۶ پروتون در هسته خود دارند ، اتمهای عنصر شیمیایی کربن هستند ، اما تعداد اتمهای کربن ممکن است ۱۲ یا ۱۳ باشد.
ارائه استاندارد عناصر شیمیایی در جدول تناوبی است که عناصر را بر اساس تعداد اتمی مرتب می کند. جدول تناوبی به صورت گروهی یا ستونی و نقطه ای یا ردیفی مرتب شده است. جدول تناوبی در شناسایی روندهای دوره ای مفید است.
یک ترکیب یک ماده شیمیایی خالص است که از بیش از یک عنصر تشکیل شده است. خواص یک ترکیب شباهت کمی به عناصر آن دارد.نامگذاری استاندارد ترکیبات توسط اتحادیه بین المللی شیمی خالص و کاربردی (IUPAC) تعیین شده است. ترکیبات آلی بر اساس سیستم نامگذاری آلی نامگذاری شده اند. نام ترکیبات معدنی با توجه به سیستم نامگذاری معدنی ایجاد می شود. هنگامی که یک ترکیب دارای بیش از یک جزء است ، آنگاه آنها را به دو دسته الکتروپوزیتی و الکترونگاتیو تقسیم می کنند.علاوه بر این ، خدمات چکیده شیمیایی روشی برای فهرست بندی مواد شیمیایی ابداع کرده است. در این طرح هر ماده شیمیایی با شماره ای که به عنوان شماره ثبت CAS شناخته می شود ، قابل شناسایی است.
مولکول
یک مولکول کوچکترین قسمت تجزیه ناپذیر یک ماده شیمیایی خالص است که دارای مجموعه منحصر به فرد خواص شیمیایی است ، یعنی پتانسیل آن برای انجام مجموعه ای از واکنشهای شیمیایی با سایر مواد. با این حال ، این تعریف فقط برای موادی که از مولکول تشکیل شده اند خوب کار می کند ، که در مورد بسیاری از مواد صدق نمی کند. مولکولها معمولاً مجموعه ای از اتمها هستند که توسط پیوندهای کووالانسی به هم متصل شده اند ، به طوری که ساختار از نظر الکتریکی خنثی است و همه الکترونهای ظرفیت با الکترونهای دیگر یا به صورت پیوند یا به صورت زوج منفرد جفت می شوند.
بنابراین ، مولکولها برخلاف یونها به عنوان واحدهای خنثی الکتریکی وجود دارند. هنگامی که این قانون شکسته می شود و به “مولکول” بار می دهد ، گاهی نتیجه را یون مولکولی یا یون چند اتمی می نامند. با این حال ، ماهیت مجزا و مجزا از مفهوم مولکولی معمولاً مستلزم این است که یونهای مولکولی فقط به شکل جدا از هم وجود داشته باشند ، مانند یک پرتو هدایت شده در خلا در یک طیف سنج جرمی. مجموعه های چند اتمی شارژ شده در جامدات (به عنوان مثال یونهای سولفات یا نیترات معمولی) عموماً در شیمی “مولکول” در نظر گرفته نمی شوند. برخی از مولکولها حاوی یک یا چند الکترون غیر مرتبط هستند که رادیکال ایجاد می کند. اکثر رادیکال ها نسبتاً واکنش پذیر هستند ، اما برخی مانند نیتریک اکسید (NO) می توانند پایدار باشند.
عناصر “بی اثر” یا گازهای نجیب (هلیوم ، نئون ، آرگون ، کریپتون ، زنون و رادون) از اتم های تنها به عنوان کوچکترین واحد گسسته خود تشکیل شده اند ، اما سایر عناصر شیمیایی جدا شده از مولکول ها یا شبکه اتم هایی تشکیل شده است که به یکدیگر متصل شده اند. به نوعی مولکول های قابل شناسایی مواد آشنا مانند آب ، هوا و بسیاری از ترکیبات آلی مانند الکل ، شکر ، بنزین و داروهای مختلف را تشکیل می دهند.
با این حال ، همه مواد یا ترکیبات شیمیایی متشکل از مولکول های مجزا نیستند و در واقع بیشتر مواد جامد تشکیل دهنده پوسته جامد ، گوشته و هسته زمین ، ترکیبات شیمیایی بدون مولکول هستند. این نوع دیگر مواد ، مانند ترکیبات یونی و جامدات شبکه ، به گونه ای سازماندهی شده اند که فاقد وجود مولکول های قابل تشخیص به خودی خود هستند. در عوض ، این مواد از نظر واحدهای فرمول یا سلول های واحد به عنوان کوچکترین ساختار تکراری درون ماده مورد بحث قرار می گیرند. نمونه هایی از این مواد عبارتند از نمک های معدنی (مانند نمک سفره) ، مواد جامد مانند کربن و الماس ، فلزات و مواد معدنی سیلیس و سیلیکات آشنا مانند کوارتز و گرانیت.
یکی از ویژگی های اصلی یک مولکول هندسه آن است که اغلب ساختار آن نامیده می شود. در حالی که ساختار مولکولهای دو اتمی ، سه اتمی یا چهار اتمی ممکن است بی اهمیت باشد ، (خطی ، هرمی زاویه ای و غیره) ساختار مولکولهای چند اتمی ، که از بیش از شش اتم (از چندین عنصر) تشکیل شده اند ، می تواند برای ماهیت شیمیایی آن بسیار مهم باشد. به
ماده و مخلوط
ماده شیمیایی نوعی ماده با ترکیب مشخص و مجموعه ای از خواص است.مجموعه ای از مواد مخلوط نامیده می شود. نمونه هایی از مخلوط ها هوا و آلیاژها هستند.
مول و مقدار ماده
خال واحد اندازه گیری است که مقدار ماده (مقدار شیمیایی نیز نامیده می شود) را نشان می دهد. یک خال دقیقاً شامل ۶٫۰۲۲۱۴۰۷۶ × ۱۰۲۳ ذره (اتم ، مولکول ، یون یا الکترون) است ، جایی که تعداد ذرات در هر مول به عنوان ثابت آووگادرو شناخته می شود.غلظت مولار مقدار یک ماده خاص در هر حجم محلول است و معمولاً در mol/dm3 گزارش می شود.
فاز
علاوه بر خواص شیمیایی خاصی که طبقه بندی های مختلف شیمیایی را متمایز می کند ، مواد شیمیایی می توانند در چندین مرحله وجود داشته باشند. در بیشتر موارد ، طبقه بندی شیمیایی مستقل از این طبقه بندی فاز فله است. با این حال ، برخی از مراحل عجیب و غریب با برخی از خواص شیمیایی ناسازگار هستند. فاز مجموعه ای از حالات یک سیستم شیمیایی است که دارای خواص ساختاری حجمی مشابه در طیف وسیعی از شرایط مانند فشار یا دما هستند.
خواص فیزیکی مانند چگالی و ضریب شکست در مقادیر مشخصه فاز قرار می گیرند. فاز ماده با گذار فاز تعریف می شود ، یعنی زمانی که انرژی وارد شده یا از سیستم خارج می شود ، به جای تغییر شرایط انبوه ، به تغییر ساختار سیستم می پردازد.
گاهی اوقات تمایز بین فازها می تواند به جای داشتن یک مرز گسسته پیوسته باشد ، در این صورت موضوع در حالت فوق بحرانی در نظر گرفته می شود. وقتی سه حالت بر اساس شرایط به هم می رسند ، به عنوان نقطه سه گانه شناخته می شود و از آنجا که این حالت ثابت است ، راهی مناسب برای تعریف مجموعه ای از شرایط است.
نمونه های شناخته شده فازها جامدات ، مایعات و گازها هستند. بسیاری از مواد چندین فاز جامد را نشان می دهند. به عنوان مثال ، سه فاز آهن جامد (آلفا ، گاما و دلتا) وجود دارد که بر اساس دما و فشار متفاوت است. تفاوت اصلی بین فازهای جامد ساختار بلوری یا آرایش اتم ها است. فاز دیگری که معمولاً در مطالعه شیمی با آن روبرو می شویم ، فاز آبی است که حالت مواد محلول در محلول آبی (یعنی در آب) است.
فازهای کمتر آشنا شامل پلاسماها ، میعانات بوز -اینشتین و میعانات فرمیونی و فازهای پارامغناطیسی و فرو مغناطیسی مواد مغناطیسی است. در حالی که اکثر مراحل آشنا با سیستم های سه بعدی هستند ، همچنین می توان آنالوگ ها را در سیستم های دو بعدی تعریف کرد ، که به دلیل ارتباط آن با سیستم ها در زیست شناسی مورد توجه قرار گرفته است.
پیوند
گفته می شود که اتم هایی که در مولکول ها یا بلورها به هم چسبیده اند با یکدیگر پیوند خورده اند. یک پیوند شیمیایی ممکن است به عنوان تعادل چند قطبی بین بارهای مثبت در هسته ها و بارهای منفی که در اطراف آنها در حال نوسان هستند ، تجسم شود.انرژی ها و توزیع ها بیش از جاذبه و دافعه ساده ، مشخص کننده در دسترس بودن الکترون برای پیوند با اتم دیگر است.
پیوند شیمیایی می تواند پیوند کووالانسی ، پیوند یونی ، پیوند هیدروژنی یا فقط به دلیل نیروی وندروالس باشد. هر یک از این نوع اوراق قرضه به برخی از پتانسیل ها نسبت داده می شوند. این پتانسیل ها برهم کنش هایی را ایجاد می کنند که اتم ها را در مولکول ها یا بلورها کنار هم نگه می دارد.
در بسیاری از ترکیبات ساده ، نظریه پیوند ظرفیت ، مدل دافعه جفت الکترونی پوسته Valence (VSEPR) و مفهوم عدد اکسیداسیون می تواند برای توضیح ساختار و ترکیب مولکولی مورد استفاده قرار گیرد.
پیوند یونی زمانی ایجاد می شود که یک فلز یک یا چند الکترون خود را از دست بدهد و تبدیل به کاتیونی با بار مثبت شود و سپس الکترونها توسط اتم غیر فلز به دست آمده و تبدیل به یک آنیون با بار منفی شوند. دو یون با بار مخالف یکدیگر را جذب می کنند و پیوند یونی نیروی جاذبه الکترواستاتیک بین آنها است. به عنوان مثال ، سدیم (Na) ، یک فلز ، یک الکترون را از دست می دهد تا به کاتیون Na+ تبدیل شود در حالی که کلر (Cl) ، غیر فلز ، این الکترون را به Cl− تبدیل می کند. یونها به دلیل جاذبه الکترواستاتیک در کنار هم نگه داشته می شوند و آن ترکیب کلرید سدیم (NaCl) یا نمک معمولی جدول ایجاد می شود.
در پیوند کووالانسی ، یک یا چند جفت الکترون ظرفیتی توسط دو اتم تقسیم می شود: گروه الکتریکی خنثی اتم های پیوندی مولکول نامیده می شود. اتمها الکترونهای ظرفیت را به گونه ای به اشتراک می گذارند که برای هر اتم پیکربندی الکترونی گاز نجیب (هشت الکترون در بیرونی ترین پوسته خود) ایجاد کند. گفته می شود.
که اتم هایی که تمایل دارند به گونه ای با هم ترکیب شوند که هرکدام هشت الکترون در پوسته ظرفیت خود داشته باشند از قانون اکتت پیروی می کنند. با این حال ، برخی از عناصر مانند هیدروژن و لیتیوم برای دستیابی به این پیکربندی پایدار تنها به دو الکترون در بیرونی ترین پوسته خود نیاز دارند. گفته می شود که این اتم ها از قانون دوئت پیروی می کنند و به این ترتیب آنها به پیکربندی الکترون هلیوم گاز نجیب می رسند ، که دو الکترون در پوسته بیرونی خود دارد.
به طور مشابه ، از نظریه های فیزیک کلاسیک می توان برای پیش بینی بسیاری از ساختارهای یونی استفاده کرد. با ترکیبات پیچیده تر ، مانند مجتمع های فلزی ، نظریه پیوند ظرفیت کمتر کاربرد دارد و به طور کلی از روش های جایگزین ، مانند نظریه مداری مولکولی استفاده می شود. نمودار مربوط به مدارهای الکترونیکی را ببینید.
انرژی
در زمینه شیمی ، انرژی ویژگی یک ماده در نتیجه ساختار اتمی ، مولکولی یا دانه ای آن است. از آنجایی که یک تغییر شیمیایی با تغییر در یک یا چند نوع از این نوع ساختارها همراه است ، همواره با افزایش یا کاهش انرژی مواد درگیر همراه است. مقداری انرژی بین محیط اطراف و واکنش دهنده های واکنش به شکل گرما یا نور منتقل می شود. بنابراین ممکن است محصولات یک واکنش بیشتر یا کمتر از واکنش دهنده ها داشته باشند.
در صورتی که حالت نهایی در مقیاس انرژی از حالت اولیه پایین تر باشد ، واکنشی خارج از بدن است. در مورد واکنش های اندروژنیک ، وضعیت برعکس است. اگر واکنش گرما را به محیط آزاد کند ، یک واکنش گرمازا گفته می شود. در صورت واکنشهای گرمازا ، واکنش گرما را از محیط اطراف جذب می کند.
واکنشهای شیمیایی همیشه امکان پذیر نیستند مگر اینکه واکنش دهنده ها از سد انرژی عبور کنند که به نام انرژی فعال سازی شناخته می شود. سرعت یک واکنش شیمیایی (در دمای T معین) با عامل فعال شدن E مرتبط است ، با عامل جمعیت بولتزمن {\ displaystyle e^{-E/kT}} e^{-E/kT}-این احتمال است یک مولکول دارای انرژی بزرگتر یا مساوی E در دمای مشخص شده T. این وابستگی نمایی سرعت واکنش به دما را معادله آرنیوس می نامند. انرژی فعال سازی لازم برای بروز یک واکنش شیمیایی می تواند به شکل گرما ، نور ، برق یا نیروی مکانیکی به شکل سونوگرافی باشد.
یک مفهوم مرتبط انرژی آزاد ، که ملاحظات آنتروپی را نیز شامل می شود ، وسیله ای بسیار مفید برای پیش بینی امکان پذیر بودن واکنش و تعیین حالت تعادل یک واکنش شیمیایی ، در ترمودینامیک شیمیایی است. واکنش تنها در صورتی امکان پذیر است که کل تغییر در انرژی آزاد گیبس منفی باشد ، {\ displaystyle \ Delta G \ leq 0 \،} \ Delta G \ le 0 \ ،؛ اگر مساوی صفر باشد واکنش شیمیایی در حالت تعادل است.
تنها حالتهای محدود انرژی برای الکترونها ، اتمها و مولکولها وجود دارد. اینها توسط قوانین مکانیک کوانتومی تعیین می شوند ، که نیاز به کمی سازی انرژی یک سیستم محدود دارد. گفته می شود که اتمها/مولکولها در حالت انرژی بالاتر برانگیخته می شوند. مولکولها/اتمهای ماده در حالت انرژی برانگیخته اغلب واکنش پذیرتر هستند. یعنی بیشتر مستعد واکنشهای شیمیایی است.
فاز یک ماده همواره توسط انرژی آن و انرژی محیط اطراف آن تعیین می شود. وقتی نیروهای بین مولکولی یک ماده به حدی باشد که انرژی محیط اطراف برای غلبه بر آنها کافی نباشد ، در مرحله مرتب تری مانند مایع یا جامد مانند آب (H2O) رخ می دهد. مایعی در دمای اتاق زیرا مولکولهای آن توسط پیوندهای هیدروژنی متصل شده اند.در حالی که سولفید هیدروژن (H2S) یک گاز در دمای اتاق و فشار استاندارد است ، زیرا مولکولهای آن توسط برهمکنشهای ضعیف تر دو قطبی متصل شده اند.
انتقال انرژی از یک ماده شیمیایی به ماده دیگر بستگی به اندازه کوانتوم انرژی ساطع شده از یک ماده دارد. با این حال ، انرژی گرمایی اغلب به راحتی از تقریباً هر ماده ای به ماده دیگر منتقل می شود زیرا فونون های مسئول سطح انرژی ارتعاشی و چرخشی در یک ماده دارای انرژی بسیار کمتری نسبت به فوتون هایی هستند که برای انتقال انرژی الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرند. بنابراین ، از آنجا که سطوح انرژی ارتعاشی و چرخشی بیشتر از سطوح انرژی الکترونیکی فاصله دارند ، گرما به راحتی بین مواد نسبت به نور یا سایر اشکال انرژی الکترونیکی منتقل می شود. به عنوان مثال ، تابش الکترومغناطیسی ماوراء بنفش به اندازه انرژی حرارتی یا الکتریکی از یک ماده به ماده دیگر منتقل نمی شود.
وجود سطوح انرژی مشخص برای مواد شیمیایی مختلف برای شناسایی آنها با تجزیه و تحلیل خطوط طیفی مفید است. طیف های مختلف اغلب در طیف سنجی شیمیایی استفاده می شوند ، به عنوان مثال. طیف سنجی IR ، مایکروویو ، NMR ، ESR و غیره همچنین برای شناسایی ترکیب اجسام دور – مانند ستارگان و کهکشان های دور – با تجزیه و تحلیل طیف تابش آنها استفاده می شود.
اصطلاح انرژی شیمیایی اغلب برای نشان دادن پتانسیل یک ماده شیمیایی برای تبدیل شدن از طریق واکنش شیمیایی یا تبدیل سایر مواد شیمیایی استفاده می شود.
واکنش
هنگامی که یک ماده شیمیایی در اثر تعامل آن با ماده دیگر یا با انرژی تغییر شکل می دهد ، گفته می شود که یک واکنش شیمیایی رخ داده است. بنابراین واکنش شیمیایی یک مفهوم مربوط به “واکنش” ماده ای است که در تماس نزدیک با دیگری قرار می گیرد ، چه به صورت مخلوط یا محلول. قرار گرفتن در معرض نوعی انرژی یا هر دو. این منجر به تبادل انرژی بین اجزای واکنش و همچنین با محیط سیستم می شود ، که ممکن است از ظروف طراحی شده باشد – اغلب ظروف شیشه ای آزمایشگاهی.
واکنشهای شیمیایی می تواند منجر به تشکیل یا تفکیک مولکولها شود ، یعنی مولکولها از هم جدا شده و دو یا چند مولکول تشکیل دهند یا تجدید نظم اتمها در داخل یا بین مولکولها. واکنشهای شیمیایی معمولاً شامل ایجاد یا شکستن پیوندهای شیمیایی می شود. اکسیداسیون ، کاهش ، تفکیک ، خنثی سازی اسید و باز و تنظیم مجدد مولکولی برخی از انواع رایج واکنشهای شیمیایی هستند.
یک واکنش شیمیایی را می توان به صورت نمادین از طریق یک معادله شیمیایی نشان داد. در حالی که در یک واکنش شیمیایی غیر هسته ای ، تعداد و نوع اتم ها در هر دو طرف معادله برابر است ، اما برای واکنش هسته ای این امر فقط در مورد ذرات هسته ای صادق است. پروتون ها و نوترون ها.
دنباله ای از مراحل که در آن سازماندهی مجدد پیوندهای شیمیایی ممکن است در طول یک واکنش شیمیایی انجام شود ، مکانیسم آن نامیده می شود. می توان تصور کرد که یک واکنش شیمیایی در چند مرحله انجام می شود که هر یک از آنها دارای سرعت متفاوتی است. بسیاری از واسطه های واکنش با ثبات متغیر را می توان در طول یک واکنش پیش بینی کرد. مکانیسم های واکنش برای توضیح سینتیک و ترکیب محصول نسبی یک واکنش پیشنهاد شده است. بسیاری از شیمی دانان فیزیکی در کاوش و پیشنهاد مکانیسم واکنشهای شیمیایی مختلف تخصص دارند. چندین قانون تجربی ، مانند قوانین وودوارد -هافمن ، اغلب هنگام ارائه مکانیزمی برای واکنش شیمیایی مفید هستند.
طبق کتاب طلای IUPAC ، واکنش شیمیایی “فرایندی است که منجر به تبدیل گونه های شیمیایی می شود.”بر این اساس ، واکنش شیمیایی ممکن است یک واکنش ابتدایی یا یک واکنش مرحله ای باشد. یک هشدار اضافی ایجاد می شود ، به این دلیل که این تعریف مواردی را شامل می شود که تغییر شکل متقابل به صورت تجربی قابل مشاهده است. چنین واکنشهای شیمیایی قابل تشخیص به طور معمول شامل مجموعه ای از موجودات مولکولی است که در این تعریف نشان داده شده است ، اما اغلب از نظر مفهومی مناسب است که از این اصطلاح برای تغییرات مربوط به واحدهای تک مولکولی (یعنی “رویدادهای شیمیایی میکروسکوپی”) نیز استفاده شود.
یونها و نمکها
یون گونه ای باردار ، اتم یا مولکول است که یک یا چند الکترون را از دست داده یا به دست آورده است. وقتی اتمی الکترون از دست می دهد و بنابراین پروتون بیشتری نسبت به الکترون دارد ، اتم یک یون یا کاتیون دارای بار مثبت است. وقتی اتمی الکترون دریافت می کند و بنابراین الکترون های بیشتری نسبت به پروتون ها دارد ، اتم یک یون یا آنیون با بار منفی است. کاتیونها و آنیونها می توانند یک شبکه بلوری از نمکهای خنثی مانند یونهای Na+ و Cl− تشکیل دهنده کلرید سدیم یا NaCl تشکیل دهند. نمونه هایی از یونهای چند اتمی که در طول واکنشهای اسید و باز از هم جدا نمی شوند هیدروکسید (OH2) و فسفات (PO43−) هستند.
پلاسما از مواد گازی تشکیل شده است که معمولاً از طریق دمای بالا کاملاً یونیزه شده اند.
اسیدیته و اساسی بودن
یک ماده را اغلب می توان به عنوان اسید یا باز طبقه بندی کرد. چندین نظریه مختلف وجود دارد که رفتار اسید و باز را توضیح می دهد. ساده ترین آن نظریه آرنیوس است که می گوید اسید ماده ای است که وقتی در آب حل می شود یون هیدرونیوم تولید می کند و یک پایه آن است که وقتی در آب حل می شود یون هیدروکسید تولید می کند. بر اساس نظریه اسید – برونستد – لوری ، اسیدها موادی هستند که در واکنش شیمیایی ، یون هیدروژن مثبت را به ماده دیگری هدیه می دهند. به عنوان یک قاعده ، ماده ای است که یون هیدروژن را دریافت می کند.
سومین نظریه رایج ، نظریه اسید باز لوئیس است که بر پایه تشکیل پیوندهای شیمیایی جدید استوار است. نظریه لوئیس توضیح می دهد که اسید ماده ای است که قادر به پذیرش یک جفت الکترون از یک ماده دیگر در طی فرآیند تشکیل پیوند است ، در حالی که یک پایه ماده ای است که می تواند یک جفت الکترون برای تشکیل پیوند جدید فراهم کند. بر اساس این نظریه ، مهمترین موارد مبادله شده اتهامات است. [۳۲] چندین روش دیگر وجود دارد که از طریق آنها می توان یک ماده را به عنوان اسید یا باز طبقه بندی کرد ، همانطور که در تاریخ این مفهوم مشهود است. [۳۳]
میزان اسیدیته معمولاً با دو روش اندازه گیری می شود. یک اندازه گیری ، بر اساس تعریف آرنیوس از اسیدیته ، pH است که اندازه گیری غلظت یون هیدرونیوم در یک محلول است ، که در مقیاس لگاریتمی منفی بیان شده است. بنابراین ، محلولهایی که PH پایینی دارند غلظت یون هیدرونیوم بالایی دارند و می توان گفت که اسیدی تر هستند. اندازه گیری دیگر ، بر اساس تعریف برونستد -لوری ، ثابت تفکیک اسید (Ka) است که توانایی نسبی یک ماده را برای عمل به عنوان اسید تحت تعریف برونستد -لوری از اسید اندازه گیری می کند. به این معنا که موادی با Ka بیشتر در واکنشهای شیمیایی یونهای هیدروژن اهدا می کنند تا آنهایی که مقدار Ka پایین تری دارند.
ردوکس
واکنشهای ردوکس (کاهش-اکسیداسیون) شامل تمام واکنشهای شیمیایی است که در آنها حالت اکسیداسیون اتمها با به دست آوردن الکترونها (احیاء) یا از دست دادن الکترونها (اکسیداسیون) تغییر می کند. گفته می شود موادی که قابلیت اکسیداسیون سایر مواد را دارند ، اکسید کننده بوده و به عنوان عوامل اکسید کننده ، اکسید کننده یا اکسید کننده شناخته می شوند. یک اکسید کننده الکترون ها را از یک ماده دیگر خارج می کند. به طور مشابه ، موادی که توانایی کاهش سایر مواد را دارند ، گفته می شود که کاهنده هستند و به عنوان عوامل کاهنده ، کاهنده یا کاهنده شناخته می شوند.
یک کاهنده الکترونها را به ماده دیگری منتقل می کند و بنابراین خود اکسیده می شود. و از آنجا که الکترون “اهدا” می کند ، دهنده دهنده الکترون نیز نامیده می شود. اکسیداسیون و کاهش به درستی به تغییر در تعداد اکسیداسیون اشاره دارد – انتقال واقعی الکترونها ممکن است هرگز رخ ندهد. بنابراین ، اکسیداسیون به عنوان افزایش تعداد اکسیداسیون و کاهش به عنوان کاهش تعداد اکسیداسیون بهتر تعریف می شود.
تعادل
اگرچه مفهوم تعادل به طور گسترده در علوم مختلف مورد استفاده قرار می گیرد ، اما در زمینه شیمی ، هر زمان که تعدادی حالت مختلف از ترکیب شیمیایی امکان پذیر باشد ، بوجود می آید ، به عنوان مثال ، در مخلوطی از چندین ترکیب شیمیایی که می توانند با یکدیگر واکنش نشان دهند ، یا زمانی که یک ماده می تواند در بیش از یک نوع فاز وجود داشته باشد.
یک سیستم از مواد شیمیایی در حالت تعادل ، حتی اگر یک ترکیب تغییر ناپذیر داشته باشد ، بیشتر اوقات ثابت نیست. مولکولهای مواد همچنان با یکدیگر واکنش نشان می دهند و در نتیجه باعث ایجاد تعادل پویا می شود. بنابراین مفهوم حالتی را توصیف می کند که در آن پارامترهایی مانند ترکیب شیمیایی در طول زمان بدون تغییر باقی می مانند.
قوانین شیمیایی
واکنشهای شیمیایی تحت قوانین خاصی اداره می شود که به مفاهیم اساسی در شیمی تبدیل شده اند. بعضی از آنها … هستند:
قانون آووگادرو
قانون بیر -لامبرت
قانون بویل (۱۶۶۲ ، مربوط به فشار و حجم)
قانون چارلز (۱۷۸۷ ، مربوط به حجم و دما)
قوانین انتشار فیک
قانون گی-لوساک (۱۸۰۹ ، مربوط به فشار و دما)
اصل لو شاتلیه
قانون هنری
قانون هس
قانون حفظ انرژی منجر به مفاهیم مهم تعادل ، ترمودینامیک و سینتیک می شود.
قانون حفظ جرم در سیستم های جدا شده ، حتی در فیزیک مدرن ، همچنان حفظ می شود. با این حال ، نسبیت خاص نشان می دهد که به دلیل معادل جرم-انرژی ، هرگاه “انرژی” غیر مادی (گرما ، نور ، انرژی جنبشی) از یک سیستم غیر ایزوله حذف شود ، جرم با آن از بین می رود. تلفات زیاد انرژی منجر به از دست دادن مقادیر قابل وزن جرم می شود ، موضوعی مهم در شیمی هسته ای.
قانون ترکیب قطعی ، اگرچه در بسیاری از سیستمها (به ویژه زیست مولکولها و مواد معدنی) نسبتها به تعداد زیادی نیاز دارند و اغلب بصورت کسری نشان داده می شوند.
قانون نسبت های چندگانه
قانون رائولت
تاریخ
تاریخ شیمی شامل دوره ای از زمانهای بسیار قدیم تا به امروز است. از چندین هزاره قبل از میلاد ، تمدن ها از فناوری هایی استفاده می کردند که سرانجام اساس شاخه های مختلف شیمی را تشکیل می دادند. به عنوان مثال می توان به استخراج فلزات از سنگ معدن ، ساخت سفال و لعاب ، تخمیر آبجو و شراب ، استخراج مواد شیمیایی از گیاهان برای دارو و عطر ، تبدیل چربی به صابون ، ساخت شیشه و ساخت آلیاژهایی مانند برنز اشاره کرد. علم شیمی پیش از علم شیمی ، کیمیایی ، که روشی شهودی اما غیرعلمی برای درک اجزای ماده و فعل و انفعالات آنها است ، پیش از این قرار داشت. در توضیح ماهیت ماده و دگرگونی های آن ناموفق بود ، اما با انجام آزمایشات و ثبت نتایج ، کیمیاگران زمینه را برای شیمی مدرن آماده کردند.
شیمی به عنوان مجموعه ای از دانش متمایز از کیمیاگری هنگامی ظاهر شد که روبرت بویل در کارش کیمیست شکاک (۱۶۶۱) بین آنها تمایز روشنی قائل شد. در حالی که هم کیمیاگری و هم شیمی به ماده و دگرگونی های آن توجه دارند ، تفاوت اساسی با روش علمی که شیمیدانان در کار خود به کار می بردند ، نشان داده شد. تصور می شود که شیمی با کار آنتوان لاووازیه به عنوان یک علم ثابت شناخته شده است ، که قانون حفاظت از جرم را ایجاد کرد که نیاز به اندازه گیری دقیق و مشاهدات کمی از پدیده های شیمیایی داشت. تاریخ شیمی با تاریخ ترمودینامیک آمیخته شده است ، به ویژه از طریق کار ویلارد گیبس.
تعریف
تعریف شیمی در طول زمان تغییر کرده است ، زیرا کشفیات و نظریه های جدید بر کارکرد علم افزوده است. اصطلاح “کیمیا” ، از نظر دانشمند برجسته رابرت بویل در ۱۶۶۱ ، به معنای موضوع اصول مادی اجسام مخلوط بود. در سال ۱۶۶۳ ، شیمیدان کریستوفر گلیزر “شیمی” را یک هنر علمی توصیف کرد ، که به وسیله آن می آموخت که اجسام را حل کرده ، مواد مختلف موجود در ترکیب آنها را از آنها بگیرد ، و چگونه آنها را دوباره به هم پیوند دهد و آنها را به کمال بالاتری برساند.
تعریف ۱۷۳۰ از کلمه “شیمی” ، که توسط جورج ارنست اشتال استفاده شد ، به معنای هنر حل اجسام مخلوط ، مرکب یا سنگدانه در اصول آنها بود. و ترکیب چنین بدنهایی از آن اصول.در سال ۱۸۳۷ ، ژان باتیست دوما واژه “شیمی” را به علم مربوط به قوانین و آثار نیروهای مولکولی اشاره کرد.این تعریف بیشتر تکامل پیدا کرد تا اینکه در سال ۱۹۴۷ به معنای علم مواد شد: ساختار آنها ، خواص آنها و واکنش هایی که آنها را به مواد دیگر تبدیل می کند – این ویژگی توسط لینوس پاولینگ پذیرفته شده است.اخیراً ، در سال ۱۹۹۸ ، پروفسور ریموند چانگ تعریف “شیمی” را به معنی مطالعه ماده و تغییراتی که در آن ایجاد می شود ، گسترش داد.
انضباط
تمدنهای اولیه ، مانند مصری ها بابلی ها و سرخپوستان دانش عملی را در زمینه هنرهای متالورژی ، سفالگری و رنگ ها جمع آوری کردند ، اما نظریه ای سیستماتیک ارائه ندادند.
یک فرضیه شیمیایی اساسی برای اولین بار در یونان کلاسیک بوجود آمد و نظریه چهار عنصر به طور قطعی توسط ارسطو مطرح شد مبنی بر اینکه آتش ، هوا ، زمین و آب عناصر اساسی هستند که همه چیز به صورت ترکیبی از آنها تشکیل شده است. قدمت اتمی یونانی به ۴۴۰ سال قبل از میلاد مسیح برمی گردد که در آثار فیلسوفانی مانند دموکریتوس و اپیکور بوجود آمده است. در سال ۵۰ پیش از میلاد ، فیلسوف رومی لوکرتیوس در کتاب خود De rerum natura (درباره ماهیت اشیاء) این نظریه را گسترش داد. بر خلاف مفاهیم مدرن علم ، اتمیسم یونانی ماهیتی کاملاً فلسفی داشت و توجه کمی به مشاهدات تجربی و هیچ نگرانی برای آزمایش های شیمیایی نداشت.
شکل اولیه ایده حفاظت از جرم این مفهوم است که “هیچ چیز از هیچ نمی آید” در فلسفه یونان باستان ، که در امپدوکلس (تقریباً قرن چهارم پیش از میلاد) یافت می شود: “زیرا امکان ندارد هر چیزی به وجود آید از آنچه نیست ، و نمی توان به آن اشاره کرد یا شنید که آنچه باید به کلی نابود شود. ” و اپیکور (قرن سوم پیش از میلاد) ، که با توصیف ماهیت جهان ، نوشتند که” کلیت چیزها همیشه مثل الان بود و همیشه خواهد بود “.
در جهان هلنیستی ، هنر کیمیاگری ابتدا گسترش یافت ، جادو و غیبت را در مطالعه مواد طبیعی با هدف نهایی تبدیل عناصر به طلا و کشف اکسیر زندگی جاودانه در هم آمیخت. کار ، به ویژه توسعه تقطیر ، در اوایل دوره بیزانس ادامه یافت و مشهورترین تمرین کننده آن زوسیموس یونانی-مصری قرن چهارم پانوپولیس بود. کیمیاگری پس از فتوحات مسلمانان در سراسر جهان عرب توسعه یافت و اعمال شد ، و از آنجا ، و از بقایای بیزانس ، از طریق ترجمه های لاتین در قرون وسطایی و رنسانس پراکنده شد.
توسعه روش علمی مدرن آهسته و سخت بود ، اما یک روش علمی اولیه برای شیمی در میان شیمی دانان اولیه مسلمان ظاهر شد ، با شیمی دان قرن ۹ جابر بن حیان ، که در بین مردم به عنوان “پدر شیمی” شناخته می شد ، آغاز شد. آثار عربی منتسب به وی طبقه بندی سیستماتیک مواد شیمیایی را ارائه می دهد و دستورالعمل هایی را برای استخراج یک ترکیب معدنی (سال آمونیاک یا کلرید آمونیوم) از مواد آلی (مانند گیاهان ، خون و مو) به روش شیمیایی ارائه می دهد. بعضی از آثار جابریان عربی (به عنوان مثال “کتاب رحمت” و “کتاب هفتاد”) بعدها به نام لاتینیزه شده “Geber” به لاتین ترجمه شد ، و در قرن سیزدهم در اروپا یک نویسنده گمنام که معمولاً به آن اشاره می شد. به عنوان شبه گبر ، شروع به تولید نوشته های شیمیایی و متالورژی تحت این نام کرد. فیلسوفان مسلمان بعدها مانند ابوریحان بیرانی و ابن سینا نظریه های کیمیاگری ، به ویژه نظریه تبدیل فلزات را مورد اختلاف قرار دادند.
تحت تأثیر روشهای تجربی جدید ارائه شده توسط سر فرانسیس بیکن و دیگران ، گروهی از شیمی دانان آکسفورد ، روبرت بویل ، روبرت هوک و جان مایو شروع به تغییر شکل سنتهای قدیمی شیمیایی به یک رشته علمی کردند. بویل به دلیل مهمترین اثرش ، به عنوان پدر بنیانگذار شیمی شناخته می شود ، متن شیمی کلاسیک The Skeptical Chymist که در آن بین ادعاهای کیمیاگری و کشفیات علمی تجربی شیمی جدید تمایز قائل می شود. او قانون بویل را تدوین کرد ، “چهار عنصر” کلاسیک را رد کرد و جایگزین مکانیکی اتم ها و واکنش های شیمیایی را پیشنهاد کرد که می تواند تحت آزمایش دقیق قرار گیرد.
نظریه فلوژیستون (ماده ای که در ریشه همه احتراق قرار دارد) توسط آلمانی گئورگ ارنست اشتال در اوایل قرن ۱۸ مطرح شد و تنها در اواخر قرن توسط شیمیدان فرانسوی آنتوان لاووازیر ، آنالوگ شیمیایی نیوتن در واژگون شد. فیزیک؛ که بیش از هر علم دیگری برای تأسیس علم جدید بر پایه نظری مناسب ، با روشن ساختن اصل حفظ جرم و توسعه یک سیستم جدید از نامگذاری شیمیایی که تا به امروز مورد استفاده قرار گرفت ، تلاش کرد.
با این حال ، قبل از کار او ، اکتشافات مهمی انجام شده بود ، به طور خاص مربوط به ماهیت “هوا” که مشخص شد از گازهای مختلف تشکیل شده است. شیمیدان اسکاتلندی جوزف بلک (اولین شیمیدان تجربی) و جان باپتیست فلاندری ون هلمونت دی اکسید کربن یا آنچه که بلک آن را “هوای ثابت” نامید در ۱۷۵۴ کشف کردند. هنری کاوندیش هیدروژن را کشف کرد و خواص آن را روشن کرد و جوزف پریستلی و به طور مستقل ، کارل ویلهلم شیل اکسیژن خالص را جدا کردند.
دانشمند انگلیسی جان دالتون نظریه مدرن اتم ها را مطرح کرد. همه مواد از “اتم” های تجزیه ناپذیر ماده تشکیل شده اند و وزن اتم های مختلف متفاوت است.
توسعه نظریه الکتروشیمیایی ترکیبات شیمیایی در اوایل قرن ۱۹ در نتیجه کار دو دانشمند به ویژه یونس یعقوب برزلیوس و همفری دیوی بوجود آمد که با اختراع قبلی شمع ولتایی توسط الساندرو ولتا امکان پذیر شد. دیوی نه عنصر جدید از جمله فلزات قلیایی را با استخراج از اکسیدهای آنها با جریان الکتریکی کشف کرد.
ویلیام پروت بریتانیایی ابتدا ترتیب همه عناصر را بر اساس وزن اتمی آنها پیشنهاد کرد زیرا همه اتمها وزنی برابر با وزن اتمی هیدروژن داشتند. شیشه. نیولندز یک جدول اولیه از عناصر طراحی کرد که سپس در جدول تناوبی مدرن عناصر در دهه ۱۸۶۰ توسط دیمیتری مندلیف و به طور مستقل توسط چندین دانشمند دیگر از جمله جولیوس لوتار مایر توسعه یافت. گازهای بی اثر ، که بعداً گازهای نجیب نامیده شدند توسط ویلیام رمزی در همکاری با لرد ریلی در پایان قرن کشف شد و بدین ترتیب ساختار اصلی میز را پر کرد.
در آغاز قرن بیستم ، اساساً نظریه های شیمی به دلیل مجموعه ای از اکتشافات قابل توجه که موفق به کاوش و کشف ماهیت ساختار داخلی اتم ها شد ، درک شد. در سال ۱۸۹۷ ، J.J. تامسون از دانشگاه کمبریج الکترون را کشف کرد و بلافاصله پس از آن دانشمند فرانسوی بکرل و زوج پیر و ماری کوری پدیده رادیواکتیویته را مورد بررسی قرار دادند. در یک سری آزمایش های پراکندگی پیشگام ، ارنست رادرفورد در دانشگاه منچستر ساختار داخلی اتم و وجود پروتون را کشف کرد ، انواع مختلف رادیواکتیویته را طبقه بندی و توضیح داد و با بمباران نیتروژن با ذرات آلفا اولین عنصر را با موفقیت تبدیل کرد.
کار او بر روی ساختار اتمی توسط دانش آموزانش ، نیلس بور فیزیک دانمارکی و هنری موزلی بهبود یافت. نظریه الکترونیکی پیوندهای شیمیایی و اوربیتال های مولکولی توسط دانشمندان آمریکایی لینوس پاولینگ و گیلبرت ن. لوئیس توسعه داده شد.
سال ۲۰۱۱ توسط سازمان ملل متحد به عنوان سال بین المللی شیمی اعلام شد.این ابتکار اتحادیه بین المللی شیمی خالص و کاربردی و آموزش سازمان ملل متحد بود
سازمان علمی و فرهنگی و شامل جوامع شیمیایی ، دانشگاهیان و موسسات در سراسر جهان است و برای سازماندهی فعالیتهای محلی و منطقه ای به ابتکارات فردی تکیه کرده است.
شیمی آلی توسط یوستوس فون لیبیگ و دیگران ، به دنبال سنتز اوره توسط فردریش وهلر توسعه یافت که ثابت کرد موجودات زنده از نظر تئوری قابل کاهش در شیمی هستند. سایر پیشرفتهای مهم قرن نوزدهم عبارت بودند از: درک پیوند ظرفیت (ادوارد فرانکلند در ۱۸۵۲) و کاربرد ترمودینامیک در شیمی (J. W. Gibbs و Svante Arrhenius در دهه ۱۸۷۰).