شيمي يك رشته علمي است كه با عناصر و تركيبات متشكل از اتم ها ، مولكول ها و يون ها درگير مي شود: تركيب ، ساختار ، خصوصيات ، رفتار و تغييراتي كه در طي واكنش با مواد ديگر متحمل مي شوند. [1] [2] [3]
از نظر موضوع ، شيمي بين فيزيك و زيست شناسي موقعيت متوسطي را به خود اختصاص داده است. [4] گاهي اوقات آن را علم مركزي مي نامند زيرا زمينه اي براي درك رشته هاي علمي پايه و علمي در سطح بنيادي فراهم مي كند. [5] به عنوان مثال ، شيمي جنبه هاي شيمي گياهان (گياه شناسي) ، تشكيل سنگهاي آذرين (زمين شناسي) ، چگونگي تشكيل ازن جوي و تخريب آلاينده هاي محيطي (بوم شناسي) ، خصوصيات خاك روي ماه (كيهان شيمي) ، چگونگي داروها كار مي كنند (داروشناسي) و نحوه جمع آوري شواهد DNA در صحنه جرم (پزشكي قانوني).
شيمي مباحثي از جمله چگونگي تعامل اتم ها و مولكول ها از طريق پيوندهاي شيميايي و تشكيل تركيبات شيميايي جديد را بيان مي كند. پيوندهاي شيميايي چهار نوع است: پيوندهاي كووالانسي ، كه در آنها تركيبات يك يا چند الكترون دارند. پيوندهاي يوني ، كه در آن يك تركيب براي توليد يون (كاتيون و آنيون) يك يا چند الكترون به تركيب ديگر اهدا مي كند. پيوند هاي هيدروژني؛ و ون در والس اوراق قرضه را تحميل مي كنند.
علم اشتقاق لغات
كلمه شيمي از كيمياگري آمده است ، كه به مجموعه كارهاي قبلي اشاره داشت كه شامل عناصر شيمي ، متالورژي ، فلسفه ، طالع بيني ، نجوم ، عرفان و پزشكي بود. اين امر معمولاً مرتبط با تلاش براي تبديل سرب يا يك ماده اوليه معمول به طلا در نظر گرفته مي شود [6] ، گرچه در دوران باستان ، اين تحقيق شامل بسياري از س ofالات شيمي مدرن بود كه به عنوان مطالعه تركيب آب ، حركت ، رشد ، تجسم ، مجسم سازي ، بيرون كشيدن روح از بدن و پيوند دادن ارواح در درون بدن توسط كيمياگر اوايل قرن چهارم يوناني-مصري Zosimos. [7] يك كيمياگر در گفتار عاميانه "شيمي دان" ناميده مي شد ، و بعداً پسوند "-ry" به اين اضافه شد تا هنر شيمي دان را به عنوان "شيمي" توصيف كند.
كلمه مدرن كيمياگري به نوبه خود از كلمه عربي الكامي (الكيمياء) گرفته شده است. در اصل ، اين اصطلاح از يوناني χημία يا χημεία وام گرفته شده است. [8] [9] اين ممكن است ريشه مصري داشته باشد زيرا al-kīmīā از يوناني χημία گرفته شده است كه به نوبه خود از كلمه Kemet گرفته شده است كه نام باستاني مصر در زبان مصري است. [8] متناوباً ، ال-كامي ممكن است از χημεία ناشي شود ، به معني "ريخته شدن با هم". [10]
اصول مدرن
آزمايشگاه ، انستيتوي بيوشيمي ، دانشگاه كلن در آلمان.
مدل فعلي ساختار اتمي مدل مكانيكي كوانتوم است. [11] شيمي سنتي با مطالعه ذرات بنيادي ، اتم ها ، مولكول ها ، [12] مواد ، فلزات ، كريستال ها و ساير مواد جمع آوري مي شود. ماده را مي توان در حالت جامد ، مايع ، گاز و پلاسما ، به صورت جداگانه يا تركيبي بررسي كرد. فعل و انفعالات ، واكنشها و تبديلاتي كه در شيمي مورد مطالعه قرار مي گيرند ، معمولاً نتيجه فعل و انفعالات بين اتم ها هستند و منجر به بازآرايي پيوندهاي شيميايي مي شوند كه اتم ها را با هم نگه مي دارد. چنين رفتارهايي در آزمايشگاه شيمي مورد مطالعه قرار مي گيرد.
آزمايشگاه شيمي به طور كليشه اي از اشكال مختلف ظروف شيشه اي آزمايشگاهي استفاده مي كند. با اين وجود ظروف شيشه اي در شيمي مهم نيستند و بسياري از مواد شيميايي تجربي (و همچنين كاربردي / صنعتي) بدون آن انجام مي شود.
واكنش شيميايي تبديل برخي از مواد به يك يا چند ماده مختلف است. [13] اساس چنين تحول شيميايي ، آرايش مجدد الكترونها در پيوندهاي شيميايي بين اتم ها است. مي توان آن را به صورت نمادين از طريق يك معادله شيميايي ، كه معمولاً اتم ها را به عنوان موضوع درگير مي كند ، به تصوير كشيد. تعداد اتم هاي سمت چپ و راست در معادله براي يك تغيير شيميايي برابر است. (هنگامي كه تعداد اتمها در هر دو طرف نابرابر باشد ، از تحول به عنوان واكنش هسته اي يا پوسيدگي راديواكتيو ياد مي شود.) نوع واكنشهاي شيميايي ممكن است يك ماده متحمل شود و تغييرات انرژي همراه آن توسط برخي قوانين اساسي محدود مي شود به عنوان قوانين شيميايي شناخته مي شود.
ملاحظات مربوط به انرژي و آنتروپي تقريباً در همه مطالعات شيميايي بسيار مهم هستند. مواد شيميايي از نظر ساختار ، فاز و همچنين تركيبات شيميايي آنها طبقه بندي مي شوند. آنها مي توانند با استفاده از ابزارهاي تجزيه و تحليل شيميايي ، تجزيه و تحليل شوند. طيف سنجي و كروماتوگرافي. دانشمنداني كه مشغول تحقيقات شيميايي هستند به عنوان شيمي دان شناخته مي شوند. [14] بيشتر شيمي دانان در يك يا چند زيرشاخه تخصص دارند. چندين مفاهيم براي مطالعه شيمي ضروري است. برخي از آنها عبارتند از: [15]
موضوع
مقاله اصلي: ماده
در شيمي ، ماده به معناي هر چيزي است كه جرم و حجم استراحت داشته باشد (فضا را اشغال مي كند) و از ذرات تشكيل شده است. ذراتي كه ماده را تشكيل مي دهند داراي جرم استراحت نيز هستند - همه ذرات مانند فوتون جرم استراحت ندارند. ماده مي تواند يك ماده شيميايي خالص يا مخلوطي از مواد باشد. [16]
تاريخ
مقاله اصلي: تاريخ شيمي
تاريخ شيمي يك دوره از زمان هاي بسيار قديم تا امروز را در بر مي گيرد. از هزاره هاي قبل از ميلاد ، تمدن ها از فناوري هايي استفاده مي كردند كه سرانجام اساس شاخه هاي مختلف شيمي را تشكيل مي دهند. به عنوان مثال مي توان به استخراج فلزات از سنگ معدن ، ساخت ظروف سفالي و لعاب ، تخمير آبجو و شراب ، استخراج مواد شيميايي از گياهان براي دارو و عطر ، تبديل چربي به صابون ، ساخت شيشه و ساخت آلياژهايي مانند برنز اشاره كرد. پيش از علم شيمي ، علم كيمياگري ، كه يك رويكرد شهودي اما غير علمي براي درك مواد تشكيل دهنده ماده و فعل و انفعالات آنها است ، پيش بود. در توضيح ماهيت ماده و تبديل آن ناموفق بود ، اما ، با انجام آزمايشات و ثبت نتايج ، كيمياگران زمينه را براي شيمي مدرن فراهم كردند. شيمي به عنوان مجموعه اي از دانش متمايز از كيمياگري هنگامي شروع به ظهور مي كند كه توسط رابرت بويل در كار خود را به عنوان يك شيميدان شكاك (1661) تمايز آشكاري بين آنها ايجاد كرد. در حالي كه كيمياگري و شيمي هر دو به ماده و دگرگوني هاي آن مربوط مي شوند ، اما تفاوت اساسي با روش علمي كه شيمي دانان در كار خود استفاده مي كردند ، داده شد. در نظر گرفته مي شود كه شيمي با كار آنتوان لاووازيه كه قانون حفظ جرم را تدوين كرده و خواستار اندازه گيري دقيق و مشاهدات كمي از پديده هاي شيميايي است ، به يك علم ثابت تبديل شده است. تاريخ شيمي ، به ويژه از طريق كار ويلارد گيبس ، با تاريخ ترموديناميك آميخته است. [34]
از تعريف
با كشف و نظريه هاي جديد به عملكرد علم ، تعريف شيمي با گذشت زمان تغيير كرده است. اصطلاح "شيمي" از نظر دانشمند برجسته رابرت بويل در سال 1661 ، به معناي موضوع اصول مادي اجسام مخلوط است. [35] در سال 1663 ، شيميدان كريستوفر گلاسر "شيمي" را به عنوان يك هنر علمي توصيف كرد ، كه به وسيله آن شخص مي تواند بدن را حل كند و مواد مختلف موجود در تركيب آنها را بگيرد و نحوه تركيب مجدد آنها را گرفته و به كمال بالاتري برساند. [36]
تعريف 1730 كلمه "شيمي" ، همانطور كه گئورگ ارنست استال از آن استفاده كرد ، به معناي هنر حل و فصل اجسام مخلوط ، مركب يا جمع در اصول آنها بود. و تشكيل چنين اجسامي از آن اصول. [37] در سال 1837 ، ژان باتيست دوما كلمه "شيمي" را در نظر گرفت كه به علمي مربوط به قوانين و تأثيرات نيروهاي مولكولي مربوط مي شود. [38] اين تعريف بيشتر تكامل يافت تا اينكه ، در سال 1947 ، به معناي دانش مواد بود: ساختار آنها ، خواص آنها و واكنش هايي كه آنها را به مواد ديگر تغيير مي دهد - خصوصيات مورد قبول لينوس پاولينگ. [39] اخيراً ، در سال 1998 ، پروفسور ريموند چانگ تعريف "شيمي" را به معناي مطالعه ماده و تغييراتي كه ايجاد مي كند ، گسترش داد. [40]
از نظم و انضباط
مقاله اصلي: تاريخ شيمي
همچنين نگاه كنيد به: كيمياگري و جدول زماني شيمي
فلسفه اتميست دموكريتوس بعداً توسط اپيكوروس (341–270 قبل از ميلاد) پذيرفته شد.
تمدن هاي اوليه ، مانند مصري ها [41] بابلي ها ، هندي ها [42] دانش عملي مربوط به هنرهاي متالورژي ، سفالگري و رنگ ها را جمع آوري كردند ، اما نظريه اي منظم توسعه ندادند.
يك فرضيه شيميايي اوليه براي اولين بار در يونان كلاسيك با تئوري چهار عنصر كه به طور قطعي توسط ارسطو مطرح شد و اظهار داشت كه آتش ، هوا ، زمين و آب عناصر اساسي هستند كه همه چيز به عنوان يك تركيب از آنها شكل مي گيرد ، ظاهر شد. اتميسم يونان به 440 سال قبل از ميلاد مسيح برمي گردد كه در آثار فيلسوفاني مانند دموكريتوس و اپيكوروس بوجود آمده است. در سال 50 قبل از ميلاد ، فيلسوف رومي ، لوكرتيوس ، در كتاب De rerum natura (درباره ماهيت اشيا) نظريه را گسترش داد. [43] [44] بر خلاف مفاهيم مدرن علم ، اتميسم يونان ماهيتي كاملاً فلسفي داشت و نگراني كمي براي مشاهدات تجربي داشت و هيچ توجهي به آزمايش هاي شيميايي نداشت. [45]
شكل اوليه ايده حفاظت از توده اين مفهوم است كه "هيچ چيز از هيچ نمي آيد" در فلسفه يونان باستان ، كه مي توان آن را در امپدوكلس يافت (تقريباً قرن 4 قبل از ميلاد): "براي غيرممكن است كه چيزي به وجود بيايد از آنچه نيست ، وجود ندارد و نمي توان درباره آن چيزي كه هست بايد كاملاً نابود شود يا شنيد. "[46] و اپيكور (قرن 3 قبل از ميلاد) ، كه با توصيف ماهيت جهان نوشت كه" كليت چيزها هميشه مثل الان بود و هميشه خواهد بود ". [47]
در جهان هلنيستي ابتدا هنر كيمياگري گسترش يافت ، جادو و غيبت را با مطالعه مواد طبيعي با هدف نهايي تبديل عناصر به طلا و كشف اكسير زندگي جاودانه درهم آميخت. [48] كار ، به ويژه توسعه تقطير ، در اوايل دوره بيزانس ادامه يافت و مشهورترين پزشك زوسيموس يوناني-مصري قرن چهارم پانوپوليس بود. [49] كيمياگري پس از فتوحات مسلمانان ، [50] و از آنجا و از بازماندگان بيزانس ، [51] در سراسر جهان عرب گسترش يافت و رواج يافت ، از طريق ترجمه هاي لاتين به اروپا قرون وسطايي و رنسانس گسترش يافت.
توسعه روش علمي مدرن آهسته و طاقت فرسا بود ، اما يك روش علمي اوليه براي شيمي در ميان شيمي دانان اوليه مسلمان شروع به ظهور كرد ، با شروع جبير بن حيان شيمي دان عرب عرب قرن 9 (معروف به "گبر" در اروپا) ، كه گاهي اوقات "پدر شيمي" ناميده مي شود. [52] [53] [54] [55] وي برخلاف كيمياگران يونان باستان و مصر كه آثار آنها عمدتاً تمثيلي و غالباً قابل فهم نبود ، رويكردي منظم و تجربي را در آزمايشگاه مستقر در آزمايشگاه معرفي كرد. [56] وي همچنين آلمبيك (al-anbiq) دائرlopالمعارف فارس ابن العوام را به اروپا معرفي كرد ، بسياري از مواد شيميايي را تجزيه و تحليل شيميايي كرد ، لاپيدارها را ساخت ، بين مواد قليايي و اسيدها تفاوت قائل شد و صدها دارو توليد كرد. [57] كتابهاي وي به شدت كيمياگران قرون وسطايي اروپا را تحت تأثير قرار داده و جستجوي آنها براي يافتن سنگ فيلسوف را توجيه مي كرد. [58] [59] در قرون وسطي رساله هاي جابر در مورد كيمياگري به زبان لاتين ترجمه شد و به متون استاندارد كيمياگران اروپايي تبديل شد. اينها شامل كتاب الكيميا (با عنوان كتاب تركيب كيمياگري در اروپا) ، ترجمه رابرت چستر (1144) است. و كتاب السبعين (كتاب هفتاد) نوشته جرارد كرمونا (قبل از 1187). فلاسفه مسلمان تأثيرگذار بعدي ، مانند ابو الرحين البرواني ، [60] ابن سينا [61] و الكندي ، نظريه هاي كيمياگري ، به ويژه نظريه تغيير شكل فلزات را مورد اختلاف قرار دادند.
تحت تأثير روشهاي تجربي جديد كه توسط سر فرانسيس بيكن و ديگران مطرح شد ، گروهي از شيمي دانان در آكسفورد ، رابرت بويل ، رابرت هوك و جان مايو شروع به تغيير شكل سنتهاي قديمي كيمياگري در يك رشته علمي كردند. بويژه بويژه بعنوان پدر بنيانگذار شيمي در نظر گرفته مي شود كه مهمترين كارش ، متن شيمي كلاسيك The Chisticistic Chymist است كه در آن تفاوت بين ادعاهاي كيمياگري و اكتشافات علمي تجربي شيمي جديد ايجاد شده است. [62] وي قانون بويل را فرموله كرد ، "چهار عنصر" كلاسيك را رد كرد و جايگزيني مكانيكي براي اتمها و واكنشهاي شيميايي را كه ممكن است تحت آزمايش دقيق قرار گيرد ، پيشنهاد كرد. [63]
نظريه فلوگيستون (ماده اي در ريشه تمام احتراق ها) توسط جورگ ارنست استال آلماني در اوايل قرن 18 مطرح شد و تنها در پايان قرن توسط آنتوان لاووازيه ، شيمي دان فرانسوي ، آنالوگ شيميايي نيوتن در فيزيك؛ كه با تبيين اصل حفاظت از جرم و ايجاد سيستم جديدي از نامگذاري شيميايي كه تا به امروز مورد استفاده قرار گرفته است ، بيش از ديگران براي تأسيس دانش جديد در زمينه نظريه مناسب تلاش كرد.
اگرچه قبل از كار او ، كشف هاي مهمي صورت گرفته بود ، به ويژه در مورد ماهيت "هوا" كه كشف شد از گازهاي مختلف تشكيل شده است. جوزف بلك (اولين شيميدان آزمايشگاهي) شيميدان اسكاتلندي و جي.ب ون هلمونت هلندي ، دي اكسيد كربن يا همان چيزي را كه بلك «هواي ثابت» ناميد در سال 1754 كشف كردند. هنري كاونديش هيدروژن را كشف كرد و خواص آن و ژوزف پريستلي را روشن و به طور مستقل كارل ويلهلم شيل اكسيژن خالص را جدا كرد.
جان دالتون ، دانشمند انگليسي ، نظريه مدرن اتم ها را مطرح كرد. كه همه مواد از "اتمهاي" ماده قابل تقسيم نيستند و اتمهاي مختلف وزن اتمي متفاوتي دارند.
توسعه نظريه الكتروشيميايي تركيبات شيميايي در اوايل قرن نوزدهم و در نتيجه كار دو دانشمند به ويژه J.J. برزليوس و همفري ديوي ، با اختراع قبلي شمع ولتايي توسط الساندرو ولتا امكان پذير شده است. ديوي با استخراج آنها از اكسيدهاي آنها با جريان الكتريكي ، 9 عنصر جديد از جمله فلزات قليايي را كشف كرد. [66]
ديميتري مندليف در جدول تناوبي خود وجود 7 عنصر جديد را پيش بيني كرد [67] و همه 60 عنصر شناخته شده در آن زمان را در مكانهاي صحيح خود قرار داد. [68]
ويليام پروت انگليسي ابتدا پيشنهاد داد كه همه عناصر بر اساس وزن اتمي آنها ترتيب داده شود زيرا همه اتمها داراي وزني هستند كه دقيقاً مضرب وزن اتمي هيدروژن است. شيشه. نيولندز جدول اوليه اي از عناصر را ابداع كرد ، سپس در دهه 1860 توسط ديميتري مندليف و به طور مستقل توسط چندين دانشمند ديگر از جمله جوليوس لوتار ماير به جدول تناوبي مدرن عناصر تبديل شد. [70] [71] گازهاي بي اثر كه بعداً گازهاي نجيب ناميده مي شوند در اواخر قرن توسط ويليام رامزي و با همكاري لرد ريلي كشف شد و بدين ترتيب ساختار اساسي جدول پر شد.
در اواخر قرن بيستم سرانجام زيربناهاي نظري شيمي به دليل مجموعه اي از كشفيات چشمگير كه موفق به كاوش و كشف ماهيت ساختار داخلي اتم ها شدند ، قابل درك بودند. در سال 1897 ، J.J. تامسون از دانشگاه كمبريج الكترون را كشف كرد و بلافاصله پس از آن دانشمند فرانسوي بكرل و همچنين زوج پير و ماري كوري پديده پرتوزايي را بررسي كردند. در يك سري آزمايش هاي پراكندگي پيشگام ، ارنست رادرفورد در دانشگاه منچستر با كشف ساختار داخلي اتم و وجود پروتون ، انواع مختلف راديواكتيويته را طبقه بندي و توضيح داد و با بمباران نيتروژن با ذرات آلفا ، عنصر اول را با موفقيت تغيير شكل داد.
كار او در مورد ساختار اتمي توسط دانش آموزانش ، نيلز بور ، فيزيكدان دانماركي و هنري موزلي بهبود يافت. نظريه الكترونيكي پيوندهاي شيميايي و اوربيتال هاي مولكولي توسط دانشمندان آمريكايي لينوس پائولينگ و گيلبرت ن. لوئيس ساخته شد.
سال 2011 توسط سازمان ملل متحد به عنوان سال بين المللي شيمي اعلام شد. [72] اين ابتكاري از اتحاديه بين المللي شيمي خالص و كاربردي و سازمان آموزشي ، علمي و فرهنگي ملل متحد بود و شامل جوامع شيميايي ، دانشگاهيان و مسسات سراسر جهان بود و براي تنظيم فعاليت هاي محلي و منطقه اي به ابتكارات فردي متكي بود.
شيمي آلي توسط جاستوس فون ليبيگ و ديگران ، به دنبال سنتز اوره توسط فردريش وهلر ، كه ثابت كرد موجودات زنده از نظر تئوري قابل كاهش در شيمي هستند ، ساخته شد. [73] ديگر پيشرفتهاي مهم قرن نوزدهم عبارتند از: درك پيوند ظرفيت (ادوارد فرانكلند در 1852) و كاربرد ترموديناميك در شيمي (J. W. Gibbs و Svante Arrhenius در دهه 1870).