Chimie

De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Salt la: Navigare, căutare
Chimia - știința preocupată cu studiul compoziției, structurii și proprietăților materiei

Chimia (din egipteană kēme (chem), însemnând „pământ”) este una din științele fundamentale, care studiază substanțele cu structura și proprietățile lor, urmărind în același timp modificările produse asupra acestora de reacțiile chimice.[1] Întrucât toate substanțele sunt compuse din atomi, capabili să formeze molecule, studiul chimiei se axează în general pe interdependența dintre atomi și molecule. Chimia modernă a evoluat din alchimie, urmând revoluția chimică (1773).

Disciplinele cuprinse în chimie sunt grupate tradițional după tipul de materie studiată sau tipul de studiu. Acestea includ chimia anorganică (studiul materiei anorganice), chimia organică (studiul materiei organice, vii), biochimia (studiul substanțelor găsite în organismele biologice), chimie fizică (studiile legate de energie despre sistemele chimice la scară macro-, moleculară și submoleculară), electrochimie, chimia analitică (analiza mostrelor de material pentru a dobândi o înțelegere a compoziției chimice și structurii acestuia), etc. Multe alte discipline specializate au ieșit la suprafață în anii recenți, ex. neurochimia - studiul sistemului nervos.

Prezentare generală[modificare | modificare sursă]

Laborator, Institutul de Biochimie , Universitatea din Köln

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

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

Structura obiectelor pe care le folosim de zi cu zi și proprietățile materiei cu care interacționăm sunt consecințe ale proprietăților substanțelor chimice și ale interacțiunilor lor. Spre exemplu, oțelul este mai dur decât fierul pentru că atomii din el sunt mai strâns legați, formând o structură cristalină mai rigidă. Lemnul arde sau este supus oxidării rapide pentru că poate reacționa în mod spontan cu oxigenul în cadrul unei reacții chimice deasupra unei anumite temperaturi. Zahărul și sarea se dizolvă în apă deoarece proprietățile lor moleculare/ionice permit dizolvarea în condiții ambientale.

Transformările care sunt studiate în cadrul chimiei sunt rezultatul interacțiunii fie dintre substanțe chimice diferite fie dintre materie și energie. Chimia tradițională implică studiile interacțiunilor dintre substanțe într-un laborator specializat folosind diverse vase de laborator.[7]

O reacție chimică este transformarea unor substanțe în una sau mai multe alte substanțe. Poate fi reprezentată simbolic printr-o ecuație chimică. Numărul atomilor de pe partea stângă și dreaptă a acestor ecuații chimice trebuie sa fie egal. Natura reacțiilor chimice pe care o substanță le poate suferi și descărcările de energie ce pot surveni sunt definite prin anumite legi de bază, numite și legi chimice.

Energia și entropia sunt la fel de importante în majoritatea studiilor chimiei. Substanțele chimice sunt clasificate în funcție de structura lor dar și de compoziția lor chimică. Ele pot fi analizate folosind instrumete de analiză chimică, precum spectroscopia și cromatografia.

Chimia e o parte integrată din studiul științelor naturii atât în școala gimnazială cât și la liceu, de altfel în unele țări europene, printre care și România, chimia are rezervate ore de curs separate, cu profesori specializați. La acest nivel, chimia este adesea numită chimie generală care introduce o largă varietate de concepte fundamentale care permit elevului să obțină îndemânarea și tehnica necesară la niveluri mai avansate, acolo unde chimia este studiată la fel în toate disciplinele ei. Oamenii de știință care se ocupă cu cercetarea în domeniul chimiei se numesc chimiști. Majoritatea se specializeză pe una sau câteva din disciplinele acestei științe. Mai multe detalii aici

Istoric[modificare | modificare sursă]

Vechii egipteni au pionierat arta chimiei sintetice acum aproape 4000 de ani.[8] Pe la sfârșitul celui de-al doilea mileniu î.Hr., populațiile antice dețineau deja tehnologiile necesare care urmau să formeze bazele mai multor ramuri ale chimiei cum ar fi: extragerea metalelor din minereuri, obținerea vaselor de lut, fermentarea berii și a vinului, crearea de pigmenți pentru cosmetice și picturi, extragerea substanțelor din plante în scopul utilizării lor ca medicament sau ca parfum, obținerea brânzei, obținerea sticlei și obținerea de aliaje precum bronzul.

Nașterea chimiei poate fi atribuită foarte comunului fenomen al arderii, care a dus la apariția metalurgiei - arta și știința care se ocupă cu procesarea minereurilor de fier pentru obținerea metalelor. Goana după aur a dus la descoperirea procesului purificării lui, chiar dacă principiile care stăteau la baza ei nu erau prea bine înțelese - se credea că este o transformare, nu o purificare. Mulți școlari din acea vreme considerau că transformarea metalelor de bază în aur este posibilă, lucru care a dus la formarea alchimiei și căutarea pietrei filozofale, 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 îi consideră pe arabi și perși ca fiind cei mai vechi chimiști, cei care au introdus observarea precisă și experimentarea controlată, descoperind astfel multe substanțe chimice. Cei mai influenți chimiști musulmani erau Geber, al-Kindi, al-Razi și al-Bruni. Lucrările lui Geber au ajuns în Europa în secolul al XIV-lea, în Spania prin traducerile unui pseudo-Geber, care și-a semnat cărțile cu numele de „Geber”. Contribuția alchimiștilor și metalurgiștilor indieni a adus de asemenea o contribuție importantă.

Apariția chimiei în Europa a avut loc datorită epidemiilor frecvente de ciumă și molimi (cum ar fi moartea neagră) din Evul Mediu Timpuriu, care a dus la o creștere a nevoii de medicamente. Se credea că există un medicament universal numit elixirul vieții care poate vindeca toate bolile, dar care, precum piatra filozofală, nu a fost niciodată găsit.

Deoarece pentru unii practicanți, alchimia era o ocupație intelectuală, în timp, au excelat în acest domeniu. Paracelsus, spre exemplu, respingea teoria celor patru elemente și cu o înțelegere destul de vagă a substanțelor chimice și medicamentelor, a format o formă hibridă de alchimie și știință, numită și chemiatrie sau iatrochimie.[12]

De asemenea, influențe ale filozofilor cum ar fi Sir Francis Bacon sau René Descartes, care voiau o anumită rigoare în matematică și cereau eliminarea dogmelor și subiectivismului din observațiile științifice, au dus la revoluția științifică. În chimie, ea a început cu Robert Boyle (1627-1691), care formulat ecuații precum Legea lui Boyle, cu privire la proprietățile stării gazoase. Mai târziu au urmat legea conservării masei substanțelor în 1783 și dezvoltarea teoriei atomice a lui John Dalton în jurul anului 1800. Legea Conservării Masei a dus la reformularea chimiei bazată pe această lege, dar și teoria combustiei oxigenului, care a fost mult bazată pe cercetările lui Lavoiser. Acestea și alte astfel de schimbări înțelese de mase au fost denumite generic revoluția chimică. Contribuțiile lui Lavoisier au dus la ceea ce acum se numește chimie modernă - chimia studiată în instituțiile de învățămând din toată lumea.

Definiții[modificare | modificare sursă]

L.C. Pauling (1901–1994).

Conform Dicționarului Explicativ al Limbii Române, definiția chimiei este următoarea:

„Știință care studiază compoziția, structura și proprietățile substanțelor, transformărilor lor prin regruparea atomilor componenți, precum și combinațiile noi ale substanțelor rezultate în urma acestor transformări.”
—Dicționarul Explicativ al Limbii Române[13]

Definiția 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 compoziției apelor, mișcărilor, creșterii, încorporării, respingerii, desenului sufletului din trupuri și al împreunării sufletelor cu trupurile. (Zosimos)[14]
  • Chimia (1661) - subiectul principiilor materiale ale corpurilor mixte. (Boyle)[15]
  • Chimia (1663) - o artă științifică prin care cineva învață cum să dizolve corpuri, cum să reprezinte diversele substanțe din compoziția lor, cum să împreuneze din nou substanțele între ele și cum să le aducă la un grad de perfecțiune mai mare.[16]
  • Chimia (1730) - arta împărțirii corpurilor mixte, compuse și agregate în elementele principale ale lor și a compunerii acestui fel de corpuri din elementele lor principale. (Stahl)[17]
  • Chimia (1837) - știința care se ocupă cu legile și efectele forțelor moleculare. (Dumas)[18]
  • Chimia (1947) - știința substanțelor: a structurii, proprietăților și reacțiilor care le schimbă în alte substanțe. (Pauling)[19]
  • Chimia (1998) - studiul materiei și a schimbărilor prin care trece. (Raymond Chang).[20]

Conceptele fundamentale[modificare | modificare sursă]

Atom[modificare | modificare sursă]

Atomul este cea mai mică particulă dintr-o substanță care prin procedee chimice obișnuite nu poate fi divizată în alte particule mai simple. Este unitatea de bază a unui element chimic. Este o grupare de materie care conține un nucleu încărcat cu o sarcină electronică pozitivă, care este format din protoni și neutroni și un înveliș electronic în jurul nucleului datorită căruia atomul are sarcina electrică 0. Atomul este de asemenea cea mai mică particulă care poate reține unele proprietăți chimice ale elementului, ca potențialul de ionizare.

Element[modificare | modificare sursă]

Vezi și: Tabelul periodic

Conceptul de element chimic este legat de cel de substanță 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, toți atomii cu 6 protoni în nucleu formează elementul carbon, toți atomii cu 92 de protoni în nucleu formează elementul uraniu. Totuși elementul poate avea mai mulți izotopi, care diferă de la unul la altul prin numărul de neutroni din nucleu.

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

Compus[modificare | modificare sursă]

Un compus este o substanță care conține o combinatie a atomilor a doua sau mai multe elemente chimice într-o anumită proporție, astfel încât îi determină compoziția și organizarea particulelor din el, care îi determină proprietățile chimice. Spre exemplu, apa este un compus de hidrogen și oxigen în proporția 2/1, atomul de oxigen fiind între cei doi atomi de hidrogen la un unghi de 104,5°. Compușii sunt formați și interconvertiți de reacțiile chimice.

Substanță[modificare | modificare sursă]

O substanță chimică este o formă de materie cu o compoziție proprie și un set de proprietăți. Strict vorbind, un amestec de componente,elemente sau componente și elemente nu e o substanță chimică, dar poate fi numită chimică. Cele mai multe din substanțele pe care le întâlnim în viața de zi cu zi sunt amestecuri, ex. aerul, aliajele, biomasele etc.

Nomenclatura substanțelor este o parte critică din limbajul chimiei. La începuturile chimiei, numele substanțelor erau date de către descoperitor, lucru ce ducea adeseori la confuzii și dificultăți. Totuși, astazi sistemul IUPAC al denumirilor chimice le permite chimiștilor de a specifica prin nume componentele specifice dintre o varietate infintă de chimicale. Denumirea standard a unei substanțe 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 substanțele chimice. În acest sistem fiecare substanță chimică este indentificată cu ajutorul unui număr cunoscut ca numărul CAS.

Mol[modificare | modificare sursă]

Un mol este cantitatea de substanță care conține un număr de entități 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 nelegați și inerți. Acest număr este cunoscut sub numele de constantă Avogadro, și 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 unități) și poate descrie orice tip de obiect elementar, deși folosirea molului este limitată la măsurarea structurilor subatomice, atomice, și moleculare.

Numărul de moli a unei substanțe într-un litru de soluție este cunoscut sub numele de molaritate. Molaritatea este una din modalitățile folosite pentru a exprima concentrația unei soluții în chimia fizică, alături de concentrația masică.

Ioni și săruri[modificare | modificare sursă]

Un ion este o specie, un atom sau o moleculă, care a pierdut sau a câștigat unul sau mai mulți electroni. Cationii încărcați pozitiv (de exemplu, cationul de sodiu Na+) și anionii încărcați 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 reacțiilor sunt hidroxizii (OH-), fosfații (PO43-) și alții.

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

Aciditate și bazicitate[modificare | modificare sursă]

O substanță poate fi deseori clasificată ca un acid sau o bază. Acest lucru este făcut de multe ori pe baza unui anumit tip de reacție, și anume la schimbul de protoni dintre compuși chimici. Conform teoriei protolitice a lui Brönstead si Lowri, acizii sunt specii chimice care cedează protoni, iar bazele sunt specii chimice care acceptă protoni. Cu toate acestea, o extensie a acestui mod de clasificare a fost facută de chimistul american, Gilbert Newton Lewis; în acest mod de clasificare reacțiile nu sunt limitate la cele care au loc într-o soluție apoasă, astfel, nu mai este limitată la soluții în apă. În conformitate cu conceptul lui Lewis, de o importanță crucială sunt schimburile de electroni.

Stare de agregare[modificare | modificare sursă]

În plus față de proprietățile 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 proprietăți chimice. O stare de agregare este un set de stări ale unui sistem fizic macroscopic care au o compoziție chimică și proprietăți fizice relativ uniforme (așa cum sunt temperatura, structura cristalină, presiunea, etc.). Proprietăți fizice, cum ar fi densitatea și indicele de refracție tind să se încadreaze în valorile caracteristice de fază. Starea materiei este definită de starea de tranziție, care are loc când enegia introdusă sau luată dintr-un sistem merge în reorganizarea structuri sistemului, în loc de a schimba condițiile.

Uneori distincția între faze poate fi continuă în loc de a avea o graniță discretă, în acest caz, chestiunea se consideră a fi într-o situație supercritică. Când cele trei stări să îndeplineasc, pe baza condițiilor, este cunoscut ca un triplu punct și deoarece acest lucru este invariant, este un mod convenabil de a defini un set de condiții.

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

Redox[modificare | modificare sursă]

Oxido-reducerea (sau redox) este o reacție ce are loc cu transfer de electroni între speciile atomice.[21] Substanțele ce prezintă proprietatea de a oxida alte substanțe se numesc agenți oxidanți sau simplu, oxidanți. Acestea îndepărtează electroni din alte substanțe. În mod similar, substanțele ce prezintă proprietatea de a reduce alte substanțe se numesc agenți reducători, sau simplu, reducători. Aceștia transferă electroni unei alte specii chimice. Oxidarea reprezintă cedare de electroni, iar reducerea decurge cu acceptare de electroni.[22] Reacțiile redox au loc cu schimbarea numărului de oxidare a speciilor chimice implicate. Astfel, oxidarea decurge cu creșterea acestuia, iar reducerea are loc cu scăderea lui.[23]

Legătură chimică[modificare | modificare sursă]

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 atracție și repulsie, caracterizează capacitatea unui electron de a se lega de un alt atom. Se formează interacții care mențin uniți atomii în molecule sau în cristale. În cazul substanțelor simple, MLV, modelul repulsiei perechilor de electroni (modelul Gillespie) și numărul de oxidare sunt metode ce pot fi folosite pentru a determina structura și compoziția moleculelor. În mod similar se poate afla și structura compușilor ionici cu ajutorul unor teorii din fizica clasică. Pentru a afla alcătuirea compușilor cu o structură mai complexă se folosesc principii din fizica cuantică, cum ar fi metoda orbitalilor moleculari.

Reacție chimică[modificare | modificare sursă]

Orice proces care modifica proprietățile chimice ale unei substanṭe sau în care se formezǎ o noua substanțǎ.În timpul unei reacṭii, reactanṭii se transformǎ în produși.

Energie[modificare | modificare sursă]

Legile fundamentale ale chimiei[modificare | modificare sursă]

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

  • Legea conservării masei substanțelor, potrivit fizicii moderne este de fapt energia care se conservă, iar acea energie și masa sunt corelate; un concept care devine foarte important în chimia nucleară.
  • Legea proporțiilor definite, care ne arată ca toate moleculele unui compus sunt identice și toți atomi unei specii chimice au aceeasi masă.
  • Legea proporțiilor multiple potrivit căreia o cantitate dintr-un element se combină cu o cantitate diferită dintr-un al doilea element spre a rezulta diferite combinații, între cantitățile în grame există un raport de numere întregi și mic
  • Legea proporțiilor echivalente - masele elementelor care se combină sau se substituie sunt proporționale cu echivalenții lor chimici.
  • Legea acțiunii maselor - pentru o reacție de echilibru, raportul dintre produsul concentrațiilor produșilor de reacție si produsul concentrațiilor reactanților este o constantă
  • Legea volumelor constante - la presiune constantă, între volumele gazelor care reacționează și volumele gazelor care rezultă există un raport de numere întregi și mici.
  • Legea lui Avogadro - volume egale ale gazelor, la aceeași temperatură și presiune, conțin același număr de particule (sau molecule).

Ramuri și subdiscipline[modificare | modificare sursă]

Bibliografie[modificare | modificare sursă]

Commons
Wikimedia Commons conține materiale multimedia legate de Chimie
  • 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
  • Roșu (2008). Curs de Chimie generală, Universitatea din București.
  • Negoiu, Dumitru. Tratat de chimie anorganică. Vol. 1: Chimie generală. 1972, Ed. Didactică și Pedagogică

Note[modificare | modificare sursă]

  1. ^ en Merriam-Webster's Medical Dictionary. „"Chimie" în dicționar. http://dictionary.reference.com/browse/Chemistry. Accesat la 24 ianuarie 2009. 
  2. ^ Ce este chimia?
  3. ^ Matter: Atoms from Democritus to Dalton by Anthony Carpi, Ph.D.
  4. ^ Theodore L. Brown, H. Eugene Lemay, Bruce Edward Bursten, H. Lemay. Chemistry: The Central Science. Prentice Hall; 8 edition (1999). ISBN 0-13-010310-1. Pages 3-4.
  5. ^ Wiley-VCH, 2001. ISBN 3-527-30271-9. Paginile 1-2.
  6. ^ Dictionary of the History of Ideas: Alchemy
  7. ^ IUPAC Gold Book Definition
  8. ^ First chemists, February 13, 1999, New Scientist
  9. ^ Alchemy Timeline - Chemical Heritage Society
  10. ^ Lucretius (50 BCE). „de Rerum Natura (On the Nature of Things)”. The Internet Classics Archive. Massachusetts Institute of Technology. http://classics.mit.edu/Carus/nature_things.html. Accesat la 9 ianuarie 2007. 
  11. ^ Simpson, David (29 June 2005). „Lucretius (c. 99 - c. 55 BCE)”. The Internet History of Philosophy. http://www.iep.utm.edu/l/lucretiu.htm. Accesat la 9 ianuarie 2007. 
  12. ^ Definiția cuvântului iatrochimie în DEX
  13. ^ Definiția în DEX a cuvântului chimie
  14. ^ Strathern, P. (2000). Mendeleyev’s Dream – the Quest for the Elements. New York: Berkley Books.
  15. ^ Boyle, Robert (1661). The Sceptical Chymist. New York: Dover Publications, Inc. (reprint). ISBN 0486428257 
  16. ^ Glaser, Christopher (1663). Traite de la chymie. Paris  as found in: Kim, Mi Gyung (2003). Affinity, That Elusive Dream - A Genealogy of the Chemical Revolution. The MIT Press. ISBN 0-262-11273-6 
  17. ^ Stahl, George, E. (1730). Philosophical Principles of Universal Chemistry. London 
  18. ^ Dumas, J. B. (1837). 'Affinite' (lecture notes), vii, pg 4. “Statique chimique”, Paris: Academie des Sciences
  19. ^ Pauling, Linus (1947). General Chemistry. Dover Publications, Inc.. ISBN 0486656225 
  20. ^ Chang, Raymond (1998). Chemistry, 6th Ed.. New York: McGraw Hill. ISBN 0-07-115221-0 
  21. ^ en Redox Reactions. shodor.org. Accesat la data de 30 ianuarie 2009.
  22. ^ en DEFINITIONS OF OXIDATION AND REDUCTION (REDOX). chemguide.co.uk. Accesat la data de 30 ianuarie 2009.
  23. ^ en Redox reaction and Equations. chemistry.co.nz. Accesat la data de 30 ianuarie 2009.