Chemia (
grec.
χημεία – chemeia) –
nauka
badająca naturę i własności
substancji
, a zwłaszcza przemiany zachodzące pomiędzy nimi[1]. Współcześnie wiadomo, że przemiany substancji wynikają z praw, według których atomy łączą się poprzez
wiązania chemiczne
w mniej lub bardziej trwałe
związki chemiczne
, a także praw według których wiązania pękają i tworzą się ponownie prowadząc do przemian jednych związków w drugie co jest nazywane
reakcjami chemicznymi
. Chemia zajmuje się także rozmaitymi własnościami substancji wynikającymi bezpośrednio z ich budowy atomowej.
Naturę i własności substancji bada też
fizyka
. Chemia i fizyka nawzajem się przenikają i często trudno jest precyzyjnie ustalić, gdzie kończy się jedna dziedzina, a zaczyna druga. Chemia, podobnie jak fizyka jest centralną nauką przyrodniczą. Obie te nauki stanowią podstawę wszystkich pozostałych nauk przyrodniczych –
biologii
,
geografii
,
metalurgii
i wielu innych.
Opis ogólny
Podstawowym zagadnieniem chemii jest badanie substancji i ich przemian jakościowych, powodujących, że z np. z jednej substancji powstają dwie, albo z dwóch jedna. Współczesna chemia stara się wyjaśniać mechanizm tych przemian na poziomie cząsteczkowym. Szuka też zależności między własnościami substancji a ich składem i strukturą atomową[2].
Typowe stanowisko pracy chemika-syntetyka
Struktura świata, której się na co dzień doświadcza jest determinowana chemicznymi i fizycznymi własnościami substancji. Np:
stal
jest twardsza od czystego
żeliwa
, gdyż atomy
żelaza
tworzą w stali bardziej zwartą strukturę
krystaliczną
niż w żeliwie.
Drewno
pali się
po podgrzaniu do odpowiednio wysokiej
temperatury
, gdyż zawarta w nim
celuloza
jest
polimerem
, który ulega spontanicznej reakcji
utleniania
.
Cukier
to kryształy organicznego związku chemicznego -
sacharozy
, która posiada zdolność rozpuszczania się w
wodzie
, a następnie przenikania do
kubków smakowych
w
języku
, gdzie jego obecność jest wykrywana poprzez ciąg skomplikowanych reakcji
biochemicznych
.
Współczesne badania dowiodły, że za wszystkie te efekty, w ten czy inny sposób, odpowiada chmura
elektronów
otaczająca
jądra atomowe
. Stąd chemia jest w istocie nauką zajmującą się zjawiskami elektronowymi i nie wnika w funkcjonowanie jąder. Wyjątkiem jest tylko
chemia jądrowa
, nauka na pograniczu
fizyki jądrowej
i chemii[3].
Współczesna chemia jest przede wszystkim nauką
eksperymentalną
, całkowicie pozbawioną magiczno-mistycznej otoczki typowej dla
alchemii
. Jej podstawę faktograficzną stanowią miliony
reakcji chemicznych
przeprowadzonych w kontrolowanych warunkach w
laboratoriach
z użyciem specjalnej
aparatury
, oraz wyniki dokładnych badań produktów tych reakcji. Do 17 lipca 2007 r. w bazie danych
Chemical Abstracts
zarejestrowano ponad 31 milionów związków chemicznych, a na dobę jest rejestrowanych średnio 4 000 nowych[4].. Fakty te byłyby jednak bezużyteczne bez aparatu poznawczego, który stanowią podstawowe pojęcia stosowane w tej nauce, takie jak
mol
,
pierwiastek chemiczny
,
związek chemiczny
i inne.
Historia
Początki chemii sięgają starożytności, kiedy to z ogólnych rozważań
filozoficznych
wyłoniła się
alchemia
, której przedstawiciele działali jeszcze na początku
XIX
wieku.
Za "ojców" współczesnej chemii, uważa się zwykle
Roberta Boyle'a
(1661),
Antoine Lavoisiera
(1787) i
Johna Daltona
(1808), którzy radykalnie rozgraniczyli badania z użyciem
metody naukowej
od dawnych poszukiwań
kamienia filozoficznego
[5].
Kamieniami milowymi odkryć chemicznych do początków XX wieku były:
Podstawowe pojęcia
Atom, cząsteczka, wiązanie chemiczne
Symboliczne przedstawienie struktury atomu
helu
Atom
jest współcześnie podstawowym pojęciem w chemii. Składa się on z
jądra atomowego
i chmury
elektronów
. O ile jądro jest domeną
fizyki jądrowej
, o tyle zachowanie i natura chmury elektronowej jest domeną chemii, gdyż decyduje o zdolności atomów do łączenia się w większe obiekty, zwane
cząsteczkami
. Cząsteczka bowiem to grupa atomów, które są trwale powiązane przez wymianę elektronów z
powłoki walencyjnej
, czyli najbardziej odległej od jądra. Na skutek tej wymiany powstają trwałe
wiązania chemiczne
.
Pierwiastek, indywiduum chemiczne, mieszaniny
Wg klasycznej definicji
pierwiastek chemiczny
to taka substancja, której metodami chemicznymi nie da się dalej rozłożyć. Koncepcja pierwiastka wywodzi się wprost z alchemii. Podstawowym dokonaniem Roberta Boyle'a było jednak zerwanie z alchemiczną tradycją, w ramach której wierzono, że tych pierwiastków jest od 3 do 7, przy czym ich lista powstawała z rozważań teoretycznych, a nie na podstawie danych
eksperymentalnych
. Współcześnie wiadomo, że pierwiastków jest ponad 100, i że poszczególne pierwiastki są tworzone przez atomy, które mają w jądrze jednakową liczbę
protonów
.
Indywiduum chemiczne
to z kolei substancja, w której występuje jeden rodzaj
molekuł
. Jeśli molekuły te są nienaładowanymi
cząsteczkami
, nie posiadającymi niesparowanych
elektronów
to wówczas indywidua te nazywa się
związkami chemicznymi
. Związek chemiczny to zatem substancja, która składa się z jednego rodzaju cząsteczek.
Inne indywidua chemiczne to:
-
jony
- czyli molekuły posiadające
ładunek elektryczny
-
rodniki
- czyli nietrwałe zwykle molekuły posiadające przynajmniej jeden niesparowany (nieparzysty) elektron.
Oprócz czystych pierwiastków i związków chemicznych w naturze występują ich różnorakie
mieszaniny
. W zależności od tego czy mieszaniny te można rozdzielić mechanicznie, czy też wymaga to bardziej złożonych operacji fizyko-chemicznych rozróżnia się:
Reakcje chemiczne
Reakcja chemiczna
to proces powstawania lub zrywania wiązań chemicznych, na skutek których powstają lub rozpadają się cząsteczki. Zwykle reakcje chemiczne mają dość złożony przebieg, tzn. są sumą wielu następujących po sobie lub odbywających się jednocześnie aktów zrywania i powstawania wiązań. Opisy sumarycznego przebiegu reakcji nazywają się
równaniami
, natomiast pełen opis wszystkich aktów zrywania i powstawania wiązań chemicznych jest nazywany jej
mechanizmem
.
Wzory chemiczne
Wzór chemiczny cząsteczki
LSD
Strukturę cząsteczek i innych indywiduów chemicznych zapisuje się w postaci specjalnych wzorów, które tworzy się stosując specjalną
symbolikę
. W znacznym uproszczeniu, na symbolikę tę składają się:
- symbole pierwiastków - przyjmujące postać jedno-trzyliterowych skrótów ich nazw - reprezentujące atomy występujące w cząsteczkach
- symbole wiązań chemicznych - przyjmujące postać kresek, łączących symbole pierwiastków - każda pojedyncza kreska oznacza uwspólnioną parę elektronową.
Wzory poszczególnych cząsteczek chemicznych można zestawiać w równania, które w poglądowy sposób przedstawiają przebieg reakcji chemicznych. Konwencja pisania równań polega na umieszczaniu
substratów
po lewej, produktów po prawej stronie równania i łączenie ich różnego rodzaju strzałkami symbolizującymi rodzaj danej reakcji.
Mole, stężenia i stechiometria
Podstawową jednostką stosowaną w chemii jest
mol
. Jest to jednostka
liczności materii
, czyli stosunku liczby
cząstek
znajdujących w określonej
masie
lub
objętości
danej substancji chemicznej do liczby atomów obecnych w 12 g czystego
izotopu
węgla
12C.
Mol, razem z równaniami reakcji chemicznych, stanowi podstawę obliczeń
stechiometrycznych
, których zasady umożliwiają dokładne ustalenie jaka masa lub objętość jednego związku może przereagować z drugim związkiem. Teoretyczną podstawą tych obliczeń jest
prawo działania mas
oraz koncepcja
współczynnika stechiometrycznego
.
Koncepcja
stężenia
, rozumianego jako molowy lub procentowy udział związków chemicznych w mieszaninie, umożliwia z kolei dokonywanie analogicznych obliczeń ilości reagujących substancji, nawet gdy nie są one jednorodne.
Energia
Energia
odgrywa istotną rolę, zarówno w trwałości związków chemicznych jak i w przebiegu reakcji. Zagadnieniami energetycznymi związanymi ze zjawiskami badanymi przez chemię zajmuje się
chemia fizyczna
. W ramach tej nauki, wywodzącej się z
termodynamiki
i
kinetyki
stworzono szereg pojęć i wielkości służących opisowi zagadnień energetycznych, odnoszących się do związków i reakcji chemicznych.
Są to m.in.:
-
Energia wiązania chemicznego
- czyli najmniejsza energia potrzebna do jego rozerwania.
-
Entalpia reakcji chemicznej
- będąca miarą efektu cieplnego reakcji chemicznej, zachodzącej pod stałym ciśnieniem,
- Energia swobodna reakcji chemicznej - będąca miarą "skłonności" do zajścia reakcji w danych warunkach,
-
Energia aktywacji
- czyli minimalna energia potrzebna do zajścia danej reakcji.
Działy chemii
Chemia jest tradycyjnie dzielona na kilka działów. Współcześnie uważa się, że podział ten jest nieco sztuczny, ale utrzymuje się on ze względów praktycznych i edukacyjnych.
W podręcznikach chemii, zarówno akademickich jak i szkolnych, chemię dzieli się zwykle na:
-
nieorganiczną
- zajmującą się wszystkimi związkami występującymi w tzw. materii nieożywionej,
-
organiczną
- zajmującą się związkami zawierającymi w swojej strukturze atom
węgla
(z kilkoma wyjątkami),
-
analityczną
- zajmująca się badaniem składu, stężenia i struktury pierwiastków i związków chemicznych,
-
fizyczną
- obejmująca wszystkie zjawiska na pograniczu chemii i fizyki.
Działy interdyscyplinarne
Na pograniczu poszczególnych tradycyjnych działów chemii, a także chemii i innych nauk przyrodniczych powstają liczne interdyscyplinarne kierunki badań. Współcześnie te interdyscyplinarne dziedziny są najbardziej żywotną i najszybciej rozwijającą się częścią chemii.
Na pograniczu różnych działów chemii powstały m.in.:
Na pograniczu chemii i innych nauk powstały:
Przemysł chemiczny
Przykładowa, wielkotonażowa aparatura chemiczna
Wiedza chemiczna stanowi podstawę jednego z ważniejszych działów gospodarki -
przemysłu chemicznego
. W
2005
r. przychód tego przemysłu wyniósł 10,2% przychodów całego przemysłu w
Polsce
.
Przemysł chemiczny ma trzy oblicza:
- tzw. wielką chemię - czyli przemysł surowcowy, do którego zalicza się
przemysł petrochemiczny
, przemysł
tworzyw sztucznych
, produkcja
kwasu siarkowego
,
nawozów
i tzw. wielka synteza organiczna.
- chemię małotonażową - która specjalizuje się w produkcji stosunkowo małych ilości, ale za to bardzo kosztownych substancji, takich jak
leki
,
związki zapachowe
,
detergenty
,
farby
,
kleje
, itp.
- przetwórstwo chemiczne - które nie produkuje chemikaliów jako takich, lecz tylko je przetwarza w produkty końcowe, poprzez mieszanie, obróbkę termiczną i mechaniczną lub tylko konfekcjonowanie (pakowanie).
Na pograniczu przemysłu i chemii "laboratoryjnej" powstały następujące działy:
Przypisy
- ↑
Definicja chemii na stronie Macquarie University
- ↑ Linus Pauling, Peter Pauling, Chemia, PWN, 1998, str. 13-15
- ↑ Linus Pauling, Peter Pauling, Chemia, PWN 1998, str. 52-75
- ↑
Registry Number and Substance Counts z Chemical Abstract Service
- ↑ Mi Gyung Kim, Affinity, That Elusive Dream - A Genealogy of the Chemical Revolution, MIT Press, 2003,
Bibliografia
-
Linus Pauling
, Peter Pauling, Chemia, PWN, 1997,
- Lech Pajdowski, Chemia ogólna, PWN, 1981,
-
Adam Bielański
, Podstawy chemii nieorganicznej, PWN, 1994,
- Praca zbiorowa, Chemia. Encyklopedia dla wszystkich., WNT 2001,
- Praca zbiorowa, Chemia. Encyklopedia szkolna, Zielona Sowa, 2005,
- Praca zbiorowa, Chemia. Kompendium, Świat Książki, 2006,
Zobacz też
Linki zewnętrzne