Chimie

De la Wikipedia, enciclopedia liberă

Acest articol are nevoie de ajutorul dumneavoastră! Puteţi contribui la dezvoltarea şi îmbunătăţirea lui apăsând butonul „modifică pagina”.

Chimia (din egipteană kēme (chem), însemnând „pământ”) este una din ştiinţele fundamentale, care studiază substanţele cu structura şi proprietăţile lor, urmărind în acelaşi timp modificările produse asupra acestora de reacţiile chimice.^[1] Întrucât toate substanţele sunt compuse din atomi, capabili să formeze molecule, studiul chimiei se axează în general pe interdependenţa dintre atomi şi molecule. Chimia modernă a evoluat din alchimie, urmând revoluţia chimică (1973).

Disciplinile cuprinse în chimie sunt grupate tradiţional după tipul de materie studiată sau tipul de studiu. Acestea includ chimia anorganică (studiul materiei anorganice), chimia organică (studiul materiei organice, vii), biochimia (studiul substanţelor găsite în organismele biologice, chimie fizică (studiile legate de energie despre sistemele chimice la scală macro-, moleculară şi submoleculară),electrochimie ( ), chimia analitică (analiza mostrelor de material pentru a dobândi o înţelegere a compoziţiei chimice şi structurii acestuia) etc.. Multe alte discipline specializate au ieşit la suprafaţă în anii recenţi, ex. neurochimia - studiul sistemului nervos.

Cuprins 1 Prezentare generală 2 Istoric 3 Definiţii 4 Conceptele fundamentale 4.1 Atom 4.2 Element 4.3 Compus 4.4 Substanţă 4.5 Mol 4.6 Ioni şi săruri 4.7 Aciditate şi bazicitate 4.8 Stare de agregare 4.9 Redox 4.10 Legătură chimică 4.11 Reacţie chimică 4.12 Energie 4.13 Legile fundamentale ale chimiei 5 Ramuri şi subdiscipline 6 Bibliografie 7 Note

[modifică] Prezentare generală

Chimia este ştiinţa care studiază substanţele chimice care sunt constituite din atomi sau particulele subatomice, precum protonii, electronii şi neutronii. ^[2][3] Atomii se combină pentru producerea moleculelor şi a cristalelor. Chimia mai este numită şi ştiinţa de mijloc sau ştiinţa centrală, întrucât combină toate celelalte ştiinţe ale naturii, precum astronomia, fizica, biologia şi geologia.^[4][5]

Naşterea chimiei poate fi atribuită anumitor practici, numite alchimie, care sunt efectuate de mai multe milenii în multe părţi din lume, în mod special în Orientul Mijlociu.^[6]

Structura obiectelor pe care le folosim de zi cu zi şi proprietăţile materiei cu care interacţionăm sunt consecinţe ale proprietăţilor substanţelor chimice şi ale interacţiunilor lor. Spre exemplu, oţelul este mai dur decât fierul pentru că atomii din el sunt mai strâns legaţi, formând o structură cristalină mai rigidă. Lemnul arde sau este supus oxidării rapide pentru că poate reacţiona în mod spontan cu oxigenul în cadrul unei reacţii chimice deasupra unei anumite temperaturi. Zahărul şi sarea se dizolvă în apă deoarece proprietăţile lor moleculare/ionice permit dizolvarea în condiţii ambientale.

Transformările care sunt studiate în cadrul chimiei sunt rezultatul interacţiunii fie dintre substanţe chimice diferite fie dintre materie şi energie. Chimia tradiţională implică studiile interacţiunilor dintre substanţe într-un laborator specializat folosind diverse vase de laborator.^[7]

O reacţie chimică este transformarea unor substanţe în una sau mai multe alte substanţe. Poate fi reprezentată simbolic printr-o ecuaţie chimică. Numărul atomilor de pe partea stângă şi dreaptă a acestor ecuaţii chimice va cel mai probabil egal. Natura reacţiilor chimice pe care o substanţă le poate suferi şi descărcările de energie ce pot surveni sunt definite prin anumite legi de bază, numite şi legi chimice.

Energia şi entropia sunt la fel de importante în majoritatea studiilor chimiei. Substanţele chimice sunt clasificate în funcţie de structura lor dar şi de compoziţia lor chimică. Ele pot fi analizate folosind instrumete de analiză chimică, precum spectroscopia şi cromatografia.

Chimia e o parte integrată din studiul ştiinţelor naturii atât în şcoala gimnazială cât şi la liceu, de altfel în unele ţări europene, printre care şi România, chimia are rezervate ore de curs separate, cu profesori specializaţi. La acest nivel, chimia este adesea numită chimie generală care introduce o largă varietate de concepte fundamentale care permit elevului să obţină îndemânarea şi tehnica necesară la niveluri mai avansate, acolo unde chimia este studiată la fel în toate disciplinele ei. Oamenii de ştiinţă care se ocupă cu cercetarea în domeniul chimie se numesc chimişti. Majoritatea se specializeză pe una sau câteva din disciplinele ei.

[modifică] Istoric

Vechii egipteni au pionierat arta chimiei sintetice acum aproape 4000 de ani.^[8] Pe la sfârşitul celui de-al doilea mileniu înainte de Hristos, populaţiile antice deţineau deja tehnologiile necesare care urmau să formeze bazele mai multor ramuri ale chimiei cum ar fi: extragerea metalelor din minereuri, obţinerea vaselor de lut, fermentarea berii şi a vinului, crearea de pigmenţi pentru cosmetice şi picturi, extragerea substanţelor din plante în scopul utilizării lor ca medicament sau ca parfum, obţinera brânzei, obţinerea sticlei şi obţinerea de aliaje precum bronzul.

Naşterea chimiei poate fi atribuită foarte comunului fenomen al arderii, care a dus la apariţia metalurgiei - arta şi ştiinţa care se ocupă cu procesarea minereurilor de fier pentru obţinerea metalelor. Goana după aur a dus la descoperirea procesului purificării lui, chiar dacă principiile care stăteau la baza ei nu erau prea bine înţelese - se credea că este o transformare, nu o purificare. Mulţi şcolari din acea vreme considerau că transformarea metalelor de bază în aur este posibilă, lucru care a dus la formarea alchimiei şi căutarea pentru Piatra Filozofală, despre care se credea că va aduce astfel de transformări la o singură atingere.^[9]

Atomismul grec datează din anul 440 î.Hr., după cum spune cartea De Rerum Natura (Natura Lucrurilor), scrisă de Lucretius în anul 50 î.Hr. ^[10][11]

Unii consideră arabii şi perşii ca fiind cei mai vechi chimişti, cei care au introdus observarea precisă şi experimentarea controlată şi astfel descoperind multe substanţe chimice. Cei mai influenţi chimişti musulmani erau Geber, al-Kindi, al-Razi şi al-Bruni. Muncile lui Geber au ajuns în Europa în secolul al XIV-lea, în Spania prin traducerile unui pseudo-Geber, care şi-a semnat cărţile cu numele de „Geber”. Contribuţia alchimiştilor şi metalurgiştilor indieni a adus de asemenea o contribuţie importantă.

Apariţia chimiei în Europa a avut loc datorită epdiemiilor frecvente de ciumă şi molimi din aşa-numitele Vremuri Întunecate, care a dus la o creştere a nevoii de medicamente. Se credea că există un medicament universal numit Elixirul vieţii care poate vindeca toate bolile, dar care, precum Piatra Filozofală, nu a fost niciodată găsit.

Deoarece pentru unii practicanţi, alchimia era o ocupaţie intelectuală, în timp, au devenit mai buni la ea. Paracelsus, spre exemplu, respingea teoria celor 4 elemente şi cu o înţelegere destul de vagă a chimicalelor şi medicamentelor lui , a format o formă hibridă de alchimie şi ştiinţă, numită şi chemiatrie sau iatrochimie.^[12]

De asemenea, influenţe ale filozofilor cum ar fi Sir Francis Bacon sau René Descartes, care vroiau o anumită rigoare în matematică şi cereau eliminarea biasului din observaţiile ştiinţifice, au dus la revoluţia ştiinţifică. În chimie, ea a încpeut cu Robert Boyle (1627-1691), care a venit cu ecuaţii precum Legea lui Boyle, cu privire la proprietăţile stării gazoase. Mai târziu au urmat legea conservării masei substanţelor în 1783 şi dezvoltarea Teoriei Atomice de John Dalton în ajurul anului 1800. Legea Conservării Masei a dus la reformularea chimiei bazată pe această lege dar şi teoria combustiei oxigenului, care a fost mult bazată pe muncile lui Lavoiser. Acestea şi alte astfel de schimbări înţelese de largile mase de oameni au fost denumite generic revoluţia chimică. Contribuţiile lui Antoine Lavoisier au dus la ceea ce acum se numeşte chimie modernă - chimia studiată în instituţiile de învăţămând în toată lumea.

[modifică] Definiţii

Conform Dicţionarului Explicativ al Limbii Române, definiţia chimiei este următoarea:

Definiţia generală a chimiei (cea acceptată în mod implicit de marele public) s-a schimbat de-a lungul timpului, pe măsură ce noi ramuri au fost incluse în studiul chimiei.

• Alchimia (330) - studiul compoziţiei apelor, mişcărilor, creşterii, încorporării, respingerii, desenului sufletului din trupuri şi al împreunării sufletelor cu trupurile. (Zosimos)^[14]
• Chimia (1661) - subiectul principiilor materiale ale corpurilor mixte. (Boyle)^[15]
• Chimia (1663) - o artă ştiinţifică prin care cineva învaţă cum să dizolve corpuri, cum să reprezinte diversele substanţe din compoziţia lor, cum să împreuneze din nou substanţele între ele şi cum să le aducă la un grad de perfecţiune mai mare.^[16]
• Chimia (1730) - arta împărţirii corpurilor mixte, compuse şi agregate în elementele principale ale lor şi a compunerii acestui fel de corpuri din elementele lor principale. (Stahl)^[17]
• Chimia (1837) - ştiinţa care se ocupă cu legile şi efectele forţelor moleculare. (Dumas)^[18]
• Chimia (1947) - ştiinţa substanţelor: a structurii, proprietăţilor şi reacţiilor care le schimbă în alte substanţe. (Pauling)^[19]
• Chimia (1998) - studiul materiei şi a schimbărilor prin care trece. (Raymond Chang).^[20]

[modifică] Conceptele fundamentale

[modifică] Atom

Atomul este cea mai mică particulă dintr-o substanţă care prin procedee chimice obişnuite nu poate fi divizată în alte particule mai simple. Este unitatea de bază a unui element chimic. Este o grupare de materie care conţine un nucleu încărcat cu o sarcină electronică pozitivă, care este format din protoni şi neutroni şi un înveliş electronic în jurul nucleului datorită căruia atomul are sarcina electrică 0. Atomul este de asemenea cea mai mică particulă care poate reţine unele proprietăţi chimice ale elementului, ca potenţialul de ionizare.

[modifică] Element

Conceptul de element chimic este legat de cel de substanţă chimică. Un element chimic e reprezentat de un anumit număr de protoni în nucleii atomilor. Acest număr e cunoscut ca numărul atomic Z. Spre exemplu, toţi atomii cu 6 protoni în nucleu formează elementul carbon, toţi atomii cu 92 de protoni în nucleu formează elementul uraniu. Totuşi elementul poate avea mai mulţi izotopi, care diferă de la unul la altul prin numărul de neutroni din nucleu.

De-a lungul timpul s-a încercat prin multe metode clasificarea elementelor chimice iar cea mai convenabilă metodă - folosită şi în ziua de azi - tabelul periodic al elementelor, numit şi tabelul periodic al lui Mendeleev, cuprinde într-o formă tabulară elementele chimice aranjate în funcţie de proprietăţile fizice şi chimice ale acestora.

[modifică] Compus

Un compus este o substanţă care conţine o atomi dintrun element chimic într-o anumită proporţie, astfel încât îi determină compoziţia şi organizarea particulelor din el, care îi determină proprietăţile chimice. Spre exemplu, apa este un compus de hidrogen şi oxigen în proporţia 2/1, atomul de oxigen fiind între cei doi atomi de hidrogen la un unghi de 104,5°. Compuşii sunt formaţi şi interconvertiţi de reacţiile chimice.

[modifică] Substanţă

O substanţă chimică este o formă de materie cu o compoziţie proprie şi un set de proprietăţi. Strict vorbind, un amestec de componente,elemente sau componente şi elemente nu e o substanţă chimică, dar poate fi numită chimică. Cele mai multe din substanţele pe care le întâlnim în viaţa de zi cu zi sunt amestecuri, ex. aerul, aliajele, biomasele etc.

Nomenclatura substanţelor este o parte critică din limbajul chimiei. La începuturile chimiei, numele substanţelor erau date de către descoperitor, lucru ce ducea adeseori la confuzii şi dificultăţi. Totuşi, astazi sistemul IUPAC al denumirilor chimice le permite chimiştilor de a specifica prin nume componentele specifice dintre o varietate infintă de chimicale. Denumirea standard a unei substanţe chimice este stabilită de către IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry). Există sisteme bine definite pentru a denumi diferitele specii chimice. În completare, Chemical Abstracts Service a dezvoltat o metodă de a indexa substanţele chimice. În acest sistem fiecare substanţă chimică este indentificată cu ajutorul unui număr cunoscut ca numărul CAS.

[modifică] Mol

Un mol este cantitatea de substanţă care conţine un număr de entităţi elementare (atomi, molecule sau ioni), după cum există în atomi 0.012 kilograme (sau 12 de grame) de carbon-12, în cazul în care atomii de carbon-12 sunt nelegaţi şi inerţi. Acest număr este cunoscut sub numele de constantă Avogadro, şi este determinată empiric. În prezent, valoarea sa acceptată este de 6.02214179(30) × 10²³ moli. Este la fel ca termenul de o „duzină”, în sensul că este un număr absolut (care nu are unităţi) şi poate descrie orice tip de obiect elementar, deşi folosirea molului este limitată la măsurarea structurilor subatomice, atomice, şi moleculare.

Numărul de moli a unei substanţe într-un litru de soluţie este cunoscut sub numele de molaritate. Molaritatea este unitatea comnuă folosită pentru a exprima concentraţia unei soluţii în chimia fizică.

[modifică] Ioni şi săruri

Un ion este o specie, un atom sau o moleculă, care a pierdut sau a câştigat unul sau mai mulţi electroni. Cationii încărcaţi pozitiv (de exemplu, cationul de sodiu Na⁺) şi anionii încărcaţi negativi (de exemplu, clorură Cl^-) pot forma o structură cristalină de sare neutră (de exemplu, clorură de sodiu NaCl). Exemple de ioni poliatomici care nu se despart în timpul reacţiilor sunt hidroxizii (OH^-), fosfaţii (PO₄^3-) şi alţii.

Ioni în stare gazoasă sunt adesea cunoscuţi sub numele de plasmă.

[modifică] Aciditate şi bazicitate

O substanţă poate fi deseori clasificată ca un acid sau o bază. Acest lucru este făcut de multe ori pe baza unui anumit tip de reacţie, şi anume la schimbul de protoni dintre compuşi chimici. Cu toate acestea, o extensie a acestui mod de clasificare a fost facută de chimistul american, Gilbert Newton Lewis; în acest mod de clasificare reacţiile nu sunt limitate la cele care au loc într-o soluţie apoasă, astfel, nu mai este limitată la soluţii în apă. În conformitate cu conceptul lui Lewis, de o importanţă crucială sunt schimburile de electroni.

[modifică] Stare de agregare

În plus faţă de proprietăţile chimice specifice în care se disting diferitele clasificări chimice, chimicalele pot exista în mai multe stări de agregare. În cea mai mare parte, clasificările chimice sunt independente de aceste clasificări de stare; cu toate acestea, unele stări mai exotice sunt incompatibile cu anumite proprietăţi chimice. O stare de agregare este un set de stări ale unui sistem fizic macroscopic care au o compoziţie chimică şi proprietăţi fizice relativ uniforme (aşa cum sunt temperatura, structura cristalină, presiunea, etc.). Proprietăţi fizice, cum ar fi densitatea şi indicele de refracţie tind să se încadreaze în valorile caracteristice de fază. Starea materiei este definită de starea de tranziţie, care are loc când enegia introdusă sau luată dintr-un sistem merge în reorganizarea structuri sistemului, în loc de a schimba condiţiile.

Uneori distincţia între faze poate fi continuă în loc de a avea o graniţă discretă, în acest caz, chestiunea se consideră a fi într-o situaţie supercritică. Când cele trei stări să îndeplineasc, pe baza condiţiilor, este cunoscut ca un triplu punct şi deoarece acest lucru este invariant, este un mod convenabil de a defini un set de condiţii.

Cel mai cunoscute exemple de stări de agregare sunt solid, lichid şi gazos. Multe substanţe prezintă mai multe faze solide. De exemplu, există trei faze solide ale fierului (alfa, gama, şi delta), care variază în funcţie de temperatură şi presiune. O diferenţă principală printre fazele solide este structura de cristal, sau aranjament, a atomilor. Mai puţin cunoscute sunt stările de agregare precum plasma, condensările Bose-Einstein şi condensările fermionice şi fazele paramagnetice şi feromagnetice ale materialelor magnetice.

[modifică] Redox

Oxido-reducerea (sau redox) este o reacţie ce are loc cu transfer de electroni între speciile atomice.^[21] Substanţele ce prezintă proprietatea de a oxida alte substanţe se numesc agenţi oxidanţi sau simplu, oxidanţi. Acestea îndepărtează electroni din alte substanţe. În mod similar, substanţele ce prezintă proprietatea de a reduce alte substanţe se numesc agenţi reducători, sau simplu, reducători. Aceştia transferă electroni unei alte specii chimice. Oxidarea reprezintă cedare de electroni, iar reducerea decurge cu acceptare de electroni.^[22] Reacţiile redox au loc cu schimbarea numărului de oxidare a speciilor chimice implicate. Astfel, oxidarea decurge cu creşterea acestuia, iar reducerea are loc cu scăderea lui.^[23]

[modifică] Legătură chimică

Conceptul de legătură chimică se referă la modul în care atomii se unesc pentru a forma molecule. Energiile implicate, care nu sunt doar cele de atracţie şi repulsie, caracterizează capacitatea unui electron de a se lega de un alt atom. Se formează interacţii care menţin uniţi atomii în molecule sau în cristale. În cazul substanţelor simple, MLV, modelul repulsiei perechilor de electroni (modelul Gillespie) şi numărul de oxidare sunt metode ce pot fi folosite pentru a determina structura şi compoziţia moleculelor. În mod similar se poate afla şi structura compuşilor ionici cu ajutorul unor teorii din fizica clasică. Pentru a afla alcătuirea compuşilor cu o structură mai complexă se folosesc principii din fizica cuantică, cum ar fi metoda orbitalilor moleculari.

[modifică] Reacţie chimică

Orice proces care modifica proprietăţile chimice ale unei substanṭe sau în care se formezǎ o noua substanţǎ.În timpul unei reacṭii, reactanṭii se transformǎ în produşi.

[modifică] Energie

[modifică] Legile fundamentale ale chimiei

Reacţiile chimice sunt stabilite prin legi, care au devenit concepte fundamentale în chimie. Câteva din acestea sunt :

• Legea conservării masei substanţelor, potrivit fizicii moderne este de fapt energia care se conservă, iar acea energie şi masa sunt corelate; un concept care devine foarte important în chimia nucleară.
• Legea proporţiilor definite, care ne arată ca toate moleculele unui compus sunt identice şi toţi atomi unei specii chimice au aceeasi masă.
• Legea proporţiilor multiple potrivit căreia o cantitate dintr-un element se combină cu o cantitate diferită dintr-un al doilea element spre a rezulta diferite combinaţii, între cantităţile în grame există un raport de numere întregi şi mic
• Legea proporţiilor echivalente - masele elementelor care se combină sau se substituie sunt proporţionale cu echivalenţii lor chimici.
• Legea acţiunii maselor - pentru o reacţie de echilibru, raportul dintre produsul concentraţiilor produşilor de reacţie si produsul concentraţiilor reactanţilor este o constantă
• Legea volumelor constante - la presiune constantă, între volumele gazelor care reacţionează şi volumele gazelor care rezultă există un raport de numere întregi şi mici.
• Legea lui Avogadro - volume egale ale gazelor, la aceeaşi temperatură şi presiune, conţin acelaşi număr de particule (sau molecule).

[modifică] Ramuri şi subdiscipline

• Chimie organică
• Chimie anorganică
• Chimie analitică
• Chimie fizică
• Biochimie
• Chimie teoretică

[modifică] Bibliografie

• Atkins, P.W. Galileo's Finger (Oxford University Press) ISBN 0-19-860941-8
• Atkins, P.W. Atkins' Molecules (Cambridge University Press) ISBN 0-521-82397-8
• Stwertka, A. A Guide to the Elements (Oxford University Press) ISBN 0-19-515027-9
• Roşu (2008). Curs de Chimie generală, Universitatea din Bucureşti.
• Negoiu, Dumitru. Tratat de chimie anorganică. Vol. 1: Chimie generală. 1972, Ed. Didactică şi Pedagogică

[modifică] Note

v • d • m Ştiinţele naturale Astronomie • Biologie • Chimie • Fizică • Ştiinţele Pământului