Chemia

Portal:
Chemia

Chemia (grec. χημεία – chemeia) – nauka badająca naturę oraz właściwości substancji, a zwłaszcza przemiany zachodzące pomiędzy nimi^[1]. Współcześnie wiadomo, że przemiany substancji wynikają z praw, wedle których atomy łączą się poprzez wiązania chemiczne w mniej albo bardziej trwałe związki chemiczne, a także praw wedle których wiązania pękają oraz składają się na się ponownie prowadząc do przemian jednych związków w drugie co jest nazywane reakcjami chemicznymi. Chemia zajmuje się także rozmaitymi właściwościami substancji wynikającymi bezpośrednio z ich budowy atomowej.

Naturę oraz właściwości substancji bada także fizyka. Chemia oraz fizyka nawzajem się przenikają oraz wielokrotnie trudno jest precyzyjnie ustalić, gdzie kończy się jedna dziedzina, a zaczyna druga. Chemia, analogicznie jak fizyka jest centralną nauką przyrodniczą. Obie te nauki stanowią podstawę wszystkich pozostałych nauk przyrodniczych – biologii, geografii, metalurgii oraz wielu innych.

Opis ogólny

Podstawowym zagadnieniem chemii jest badanie substancji oraz ich przemian jakościowych, powodujących, że np. z jednej substancji powstają dwie, albo z dwóch jedna. Współczesna chemia stara się wyjaśniać mechanizm tych przemian na poziomie cząsteczkowym. Szuka też zależności pomiędzy właściwościami substancji a ich składem oraz strukturą atomową^[2].

Typowe stanowisko pracy chemika-syntetyka

Struktura świata, której się na co dzień doświadcza jest determinowana chemicznymi oraz fizycznymi własnościami substancji. Np: stal jest twardsza od czystego żeliwa, albowiem atomy żelaza składają się na w stali bardziej zwartą strukturę krystaliczną niż w żeliwie. Drewno pali się po podgrzaniu do odpowiednio wysokiej temperatury, albowiem zawarta w nim celuloza jest polimerem, który ulega spontanicznej reakcji utleniania. Cukier to kryształy organicznego związku chemicznego – sacharozy, która ma 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 odmienny sposób, odpowiada chmura elektronów otaczająca jądra atomowe. Stąd chemia jest w istocie nauką zajmującą się zjawiskami elektronowymi oraz nie wnika w funkcjonowanie jąder. Wyjątkiem jest tylko chemia jądrowa, nauka na pograniczu fizyki jądrowej oraz 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 oraz inne.

Historia

 Osobny artykuł: Historia chemii.

Robert Boyle

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) oraz 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:

• Stworzenie jasnej koncepcji pierwiastka chemicznego, jako substancji, której nie da się rozłożyć metodami chemicznymi, wprowadzonej przez Roberta Boyle'a (1689)
• Rozpowszechnienie prawa zachowania masy przez Antoine Lavoisiera
• Stworzenie współczesnej koncepcji atomowej przez Johna Daltona (1808)
• Odkrycie prawa okresowości oraz skonstruowanie układu okresowego pierwiastków przez Dmitrija Mendelejewa (ok. 1869)
• Porzucenie koncepcji siły życiowej po otrzymaniu mocznika przez Friedricha Wöhlera (1828)
• Odkrycie subtelnej budowy atomu przez Ernesta Rutherforda w latach 1911–1920
• Stworzenie podstaw chemii kwantowej przez Heisenberga, Schrödingera oraz Pauliego w latach 20. XX w.

Podstawowe pojęcia

Atom, cząsteczka, wiązanie chemiczne

Symboliczne przedstawienie struktury atomu helu

Atom jest współcześnie podstawowym pojęciem w chemii. Składa się on z jądra atomowego oraz chmury elektronów. O ile jądro jest domeną fizyki jądrowej, o tyle zachowanie oraz natura chmury elektronowej jest domeną chemii, albowiem 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

Wedle 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, oraz że poszczególne pierwiastki są wykonywane przez atomy, które posiadają w jądrze jednakową liczbę protonów.

Indywiduum chemiczne to z kolei substancja, w której jest jeden odmiana 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.

nieoczekiwanie czystych pierwiastków oraz związków chemicznych w naturze są ich różnorakie mieszaniny. W zależności od tego czy mieszaniny te da się rozdzielić mechanicznie, czy też wymaga to bardziej złożonych operacji fizyko-chemicznych rozróżnia się:

• roztwory
• mieszaniny niejednorodne, takie jak koloidy, zole, żele, pasty, piany, zawiesiny oraz inne.

Reakcje chemiczne

 Osobny artykuł: Reakcja chemiczna.

Bromowanie alkenów

Reakcja chemiczna to proces powstawania albo zrywania wiązań chemicznych, na skutek których powstają albo rozpadają się cząsteczki. Zwykle reakcje chemiczne posiadają nader złożony przebieg, tzn. są sumą wielu następujących po sobie albo odbywających się równocześnie aktów zrywania oraz powstawania wiązań. Opisy sumarycznego przebiegu reakcji nazywają się równaniami, natomiast pełen opis wszystkich aktów zrywania oraz powstawania wiązań chemicznych jest nazywany jej mechanizmem.

Wzory chemiczne

 Osobny artykuł: Symbolika chemiczna.

Wzór strukturalny cząsteczki LSD

Strukturę cząsteczek oraz 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 osoba jedno-trzyliterowych skrótów ich nazw – reprezentujące atomy występujące w cząsteczkach
• symbole wiązań chemicznych – przyjmujące osoba kresek, łączących symbole pierwiastków – każda pojedyncza kreska oznacza uwspólnioną parę elektronową.

Wzory poszczególnych cząsteczek chemicznych da się zestawiać w równania, które w poglądowy sposób powodują przebieg reakcji chemicznych. Konwencja pisania równań opiera się na umieszczaniu substratów po lewej, produktów po prawej stronie równania oraz łączenie ich różnego rodzaju strzałkami symbolizującymi odmiana danej reakcji.

Mole, stężenia oraz stechiometria

 Osobny artykuł: Stechiometria.

Podstawową jednostką stosowaną w chemii jest mol. Jest to jednostka liczności materii, czyli stosunku liczby cząstek znajdujących w określonej masie albo 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 dopuszczają dokładne ustalenie jaka masa albo 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 albo procentowy udział związków chemicznych w mieszaninie, dopuszcza z kolei dokonywanie analogicznych obliczeń ilości reagujących substancji, nawet kiedy nie są one jednorodne.

Energia

 Osobny artykuł: Chemia fizyczna.

Energia odgrywa istotną rolę, zarówno w trwałości związków chemicznych jak oraz w przebiegu reakcji. Zagadnieniami energetycznymi związanymi ze zjawiskami badanymi przez chemię zajmuje się chemia fizyczna. W ramach tej nauki, wywodzącej się z termodynamiki oraz kinetyki stworzono szereg pojęć oraz wielkości służących opisowi zagadnień energetycznych, odnoszących się do związków oraz 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.

Tradycyjne dyscypliny chemii

Chemia jest tradycyjnie dzielona na parę dyscyplin. Współcześnie uważa się, że podział ten jest nieco sztuczny, ale utrzymuje się on ze względów praktycznych oraz edukacyjnych.

W podręcznikach chemii, zarówno akademickich jak oraz 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 oraz struktury pierwiastków oraz związków chemicznych,
• fizyczną – obejmująca wszystkie zjawiska na pograniczu chemii oraz fizyki.

Nowe dyscypliny oraz badania interdyscyplinarne

Na pograniczu poszczególnych tradycyjnych dyscyplin nauk chemicznych (dziedzina naukowa), a także chemii oraz innych nauk przyrodniczych oraz nauk technicznych, powstały w XIX oraz XX wieku rozliczne nowe dyscypliny naukowe. Wciąż powstają nowe, interdyscyplinarne kierunki badań. Współcześnie te interdyscyplinarne dziedziny są najbardziej żywotną oraz najszybciej rozwijającą się częścią chemii.

Na pograniczu wielorakich działów chemii powstały m.in.:

• chemia supramolekularna – zajmująca się strukturami "nadcząsteczkowymi"
• chemia metaloorganiczna – zajmująca się związkami pośrednimi pomiędzy organicznymi oraz nieorganicznymi

Na pograniczu chemii oraz innych nauk przyrodniczych powstały:

• biochemia oraz biologia molekularna – stanowiące podstawę współczesnej biologii
• geochemia oraz astrochemia – nauki o podstawach chemicznych przemian zachodzących w skorupie ziemskiej

Od czasów rewolucji przemysłowej osiągnięcia tych dyscyplin nauk chemicznych, które posiadają charakter podstawowy, są wykorzystywane w przemyśle dzięki rozwojowi wielorakich specjalności technologii chemicznej (należącej do dwóch dziedzin – nauk chemicznych oraz technicznych). Rozwój przemysłu chemicznego oraz gałęzi pokrewnych następuje dzięki współdziałaniu technologów ze specjalistami w zakresie np.:

• inżynierii chemicznej oraz procesowej

 Osobny artykuł: Inżynieria chemiczna oraz procesowa.

• inżynierii materiałowej,
• inżynierii środowiska.

Przemysł chemiczny

 Osobny artykuł: 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 oraz 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 oraz mechaniczną albo tylko konfekcjonowanie (pakowanie).

Sprawdź też kategorie: Chemicy, Polscy chemicy.

Sprawdź w Wikicytatach kolekcję cytatów
o chemii

Sprawdź hasło chemia w Wikisłowniku

Sprawdź publikację na Wikibooks:
chemia

  W Wikimedia Commons leżą multimedia związane z tematem:
Chemia

Przypisy

Bibliografia

• Linus Pauling, Peter Pauling, Chemia, PWN, 1997, ISBN 83-01-12267-6
• Lech Pajdowski, Chemia ogólna, PWN, 1981, ISBN 83-01-00555-6
• Adam Bielański, Podstawy chemii nieorganicznej, PWN, 1994, ISBN 83-01-06542-7
• Praca zbiorowa, Chemia. Encyklopedia dla wszystkich., WNT 2001, ISBN 83-204-2590-5
• Praca zbiorowa, Chemia. Encyklopedia szkolna, Zielona Sowa, 2005, ISBN 83-7389-995-2
• Praca zbiorowa, Chemia. Kompendium, Świat Książki, 2006, ISBN 83-7391-970-8

Linki zewnętrzne

• Chemia w katalogu Open Directory Project