chemia
Chemia – nauka przyrodnicza zajmująca się badaniem właściwości, składu i struktury substancji (pierwiastków i związków chemicznych) oraz zależności warunkujących przebieg przemian, którym podlegają te substancje (reakcji chemicznych i towarzyszącym im zjawisk fizycznych) z uwzględnieniem procesów zachodzących na poziomie reagujących cząstek (atomów, cząsteczek i jonówprzyrodą na podstawie obserwacji naturalnych procesów zachodzących w przyrodzie i doświadczeń przeprowadzanych w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Chemia jest nauką ściśle związaną z wieloma innymi dziedzinami nauk przyrodniczych, m.in. biologią, biotechnologią, fizyką, geografią, geologią, medycyną, mikrobiologią i ochroną środowiska. Główne działy chemii wyróżniane są tradycyjnie na podstawie przedmiotu badań (chemia nieorganiczna, chemia organiczna, chemia analityczna, chemia fizyczna); istnieje również szereg dziedzin interdyscyplinarnych wykorzystujących wiedzę i osiągnięcia poszczególnych działów chemii (m.in. chemia supramolekularna, chemia koordynacyjna) bądź różnych nauk przyrodniczych (m.in. biochemia, biologia molekularna, geochemia, chemia jądrowa, chemia kwantowa).
Historia chemii
Chemia (gr. chymeía – rozpuszczanie, stapianie) jest nauką przyrodniczą mającą swe początki w czasach starożytnych. Praktyczna znajomość procesów chemicznych wykorzystywana była już kilka tysiącleci p.n.e. przez cywilizacje starożytnego Egiptu, Mezopotamii i Grecji m.in. do wytapiania metali z rud oraz otrzymywania ich stopów, wyrobu szkła i naczyń ceramicznych, barwienia tkanin, mumifikacji, wytwarzania napojów alkoholowych (wina, piwa) i octu oraz ekstrakcji określonych substancji chemicznych w celu wytwarzania preparatów leczniczych. Początki myśli chemicznej, wywodzącej się głównie z nurtu filozofii przyrody, sięgają okresu klasycznego starożytnej Grecji. Empedokles z Akragas (V w. p.n.e.) twierdził, że wszystkie znane substancje złożone są z czterech podstawowych i wzajemnie powiązanych elementów (pierwiastków, żywiołów) – wody, powietrza, ziemi i ognia (koncepcja czterech żywiołów). Przedstawiciele atomizmu, Leukippos z Miletu (V w. p.n.e.) oraz Demokryt z Abdery (V-IV w. p.n.e.) stworzyli atomistyczną teorię budowy materii – materii zbudowanej z niepodzielnych cząstek, czyli atomów.
Na obszarze starożytnej Grecji i Egiptu rozwinęła się alchemia, której głównym celem było odkrycie kamienia filozoficznego – substancji zdolnej do przekształcenia (tzw. transmutacji) metali w złoto lub srebro oraz wynalezienie eliksiru życia zapewniającego wieczną młodość. Poszukiwania te, zapoczątkowane przez greckiego alchemika Zosimosa z Panopolis (III-IV w.) i kontynuowane przez alchemików arabskich (VI-IX w.), przyczyniły się jednak wyłącznie do opracowania nowych metod wyodrębniania i oczyszczania substancji chemicznych, metod otrzymywania kwasów nieorganicznych (np. kwasu azotowego, siarkowego, solnego), wody królewskiej i związków pierwiastków chemicznych (np. rtęci, fosforu, antymonu). Podwaliny pod rozwój chemii współczesnej, opartej na eksperymentalnej metodzie naukowej, położyli brytyjski chemik i fizyk Robert Boyle wraz z publikacją swego dzieła pt. „Sceptyczny chemik” (ang. The Sceptical Chymist) (1661); francuski chemik i fizyk Antoine de Lavoisier odrzucając teorię flogistonu (alchemiczną teorię mechanizmu procesu spalania) (1777) oraz angielski fizyk i chemik John Dalton wraz z ogłoszeniem nowoczesnej teorii atomistycznej (1804).
Chemia to nauka o właściwościach i przemianach pierwiastków i związków chemicznych
Chemia jest nauką przyrodniczą zajmującą się badaniem właściwości, składu oraz struktury substancji (pierwiastków i związków chemicznych) oraz zależności warunkujących przebieg przemian, którym podlegają te substancje – reakcji chemicznych (m.in. syntezie złożonych związków chemicznych z substancji prostych, wzajemnych przemian związków chemicznych, rozkładzie złożonych związków chemicznych do substancji prostych) oraz towarzyszących im zjawisk fizycznych (m.in. pochłaniania lub wydzielania ciepłaabsorpcji lub emisji światłaenergii elektrycznejdyfuzjiparowania, topnienia) z uwzględnieniem procesów zachodzących na poziomie reagujących cząstek (atomów, cząsteczek i jonów). Chemia, jako nauka doświadczalna, wyjaśnia prawa rządzące przyrodą na podstawie obserwacji procesów naturalnych i doświadczeń przeprowadzanych w ściśle kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Przedmiotem zainteresowań chemii współczesnej są powiązania właściwości substancji z ich budową atomową, wpływ struktury przestrzennej substancji na przebieg reakcji chemicznych, rodzaje wiązań chemicznych, kinetyka i termodynamika reakcji chemicznych, powiązania zjawisk elektrycznych i reakcji chemicznych, właściwości pierwiastków i ich związków oraz ich praktyczne zastosowania.
Chemia jest nauką ściśle związaną z innymi dziedzinami nauk przyrodniczych, m.in. biologią, biotechnologią, fizyką, geografią, geologią, medycyną, mikrobiologią i ochroną środowiska. Główne działy chemii, wyróżniane tradycyjnie na podstawie przedmiotu badań, obejmują:
- chemię nieorganiczną – dział zajmujący się badaniem pierwiastków chemicznych i ich związków z pominięciem związków, w których cząsteczkach występuje wiązanie węgiel-wodór (związków organicznych);
- chemię organiczną – dział zajmujący się badaniem związków organicznych, których cząsteczki oparte są na szkielecie węglowym (związków alifatycznych, aromatycznych i heterocyklicznych);
- chemię analityczną – dział zajmujący się badaniem jakościowego i ilościowego składu oraz struktury substancji (pierwiastków i związków chemicznych);
- chemię fizyczną (fizykochemię) – dział zajmujący się badaniem zależności między budową substancji i jej właściwościami fizycznymi oraz badaniem zjawisk fizycznych występujących podczas reakcji chemicznych.
Wyróżnia się również szereg dziedzin interdyscyplinarnych znajdujących się na pograniczu głównych działów chemii, np. chemia supramolekularna (zajmująca się badaniem połączeń powstających w wyniku oddziaływań międzycząsteczkowych, tzw. supercząsteczek); chemia koordynacyjna (zajmująca się otrzymywaniem i badaniem struktury, właściwości i przemian związków koordynacyjnych); lub wykorzystujących osiągnięcia różnych nauk przyrodniczych, m.in. biochemia (zajmująca się badaniem właściwości i przemian substancji zachodzących w organizmach żywych), biologia molekularna (wyjaśniająca zjawiska biologiczne na podstawie budowy i funkcji białek i kwasów nukleinowych), geochemia (zajmująca się badaniem cykli biogeochemicznych pierwiastków i ich znaczeniem w procesach zachodzących w skorupie ziemskiej), chemia kwantowa (zajmująca się badaniem układów atomowych i molekularnych i zachodzących między nimi oddziaływań z wykorzystaniem mechaniki kwantowej) i chemia jądrowa (zajmująca się badaniem właściwości promieniotwórczych izotopów pierwiastków, procesów rozpadu promieniotwórczego oraz reakcji jądrowych).
Chemia nieorganiczna
Chemia nieorganiczna jest dziedziną chemii zajmującą się głównie badaniem pierwiastków chemicznych oraz ich związków z pominięciem związków, w których cząsteczkach występuje wiązanie węgiel-wodór (czyli związków organicznych). Zagadnienia, stanowiące centrum zainteresowania chemii nieorganicznej, obejmują m.in. otrzymywanie, badanie właściwości, składu i struktury pierwiastków i nieorganicznych związków chemicznych oraz zachodzących pomiędzy nimi reakcji chemicznych (m.in. reakcji utleniania-redukcji, reakcje kwasów i zasad, reakcje rozpuszczania i strącania, tworzenie się i rozpad związków kompleksowych), wiązania chemiczne (wiązania atomowe, wiązania jonowe, wiązania metaliczne, wiązania w związkach kompleksowych), kinetyka i termodynamika reakcji chemicznych, związki między reakcjami chemicznymi i pracą przeniesienia ładunku elektrycznego (elektrochemia), badanie związków struktury substancji nieorganicznych z ich właściwościami oraz ich klasyfikacja na podstawie okresowego układu pierwiastków. Badania w zakresie chemii nieorganicznej prowadzone są głównie z wykorzystaniem metod fizycznych, np. metod wykorzystujących zjawisko dyfrakcji (rentgenografia, elektronografia, neutronografia), metod spektroskopowych (spektroskopia w podczerwieni, w zakresie światła widzialnego i ultrafioletu, spektroskopia ramanowska), metod rezonansowych (paramagnetyczny rezonans elektronowy, magnetyczny rezonans jądrowy) bądź matematycznych metod mechaniki kwantowej i termodynamiki statystycznej.
Chemia organiczna
Chemia organiczna (chemia związków węgla) jest dziedziną chemii zajmującą się związkami chemicznymi (związkami organicznymi), których cząsteczki oparte są na szkielecie węglowym (m.in. węglowodory, alkohole, fenole, aldehydy, ketony, kwasy karboksylowe, estry, aminy, amidy, węglowodany, białka, lipidy, kwasy nukleinowe, związki metaloorganiczne, barwniki, pestycydy, tworzywa sztuczne, włókna chemiczne). Chemia organiczna zróżnicowana jest na syntezę organiczną, strukturalną analizę organiczną oraz fizykochemię organiczną. Synteza organiczna obejmuje otrzymywanie związków organicznych w wyniku przeprowadzanych reakcji chemicznych – reakcji podstawienia (substytucji), przyłączenia (addycji) lub eliminacji, oraz wyodrębnianie i oczyszczanie otrzymanych związków organicznych z wykorzystaniem destylacji, krystalizacji, ekstrakcji, sublimacji i chromatografii (np. chromatografii bibułowej, kolumnowej, gazowej lub cieczowej). Strukturalna analiza organiczna zajmuje się badaniem budowy strukturalnej związków organicznych z zastosowaniem metod spektroskopowych (np. spektroskopia mas, spektroskopia w podczerwieni), metod wykorzystujących zjawisko dyfrakcji (np. rentgenografia) bądź metod rezonansowych (np. paramagnetyczny rezonans elektronowy, magnetyczny rezonans jądrowy). Fizykochemia organiczna zajmuje się głównie powiązaniami struktury cząsteczek związków organicznych z ich fizycznymi i chemicznymi właściwościami, przestrzenną organizacją wiązań w cząsteczkach związków organicznych (stereoizomeria), mechanizmami i kinetyką reakcji organicznych.
Chemia analityczna
Chemia analityczna jest dziedziną chemii zajmującą się badaniem jakościowego i ilościowego składu oraz budowy strukturalnej danej substancji chemicznej (pierwiastków chemicznych, nieorganicznych i organicznych związków chemicznych). Chemiczna analiza ilościowa polega na oznaczaniu ilościowego składu badanej substancji chemicznej (wyrażonego w jednostkach wagowych, udziale procentowym lub stężeniu składników) z wykorzystaniem metod analizy ilościowej (chemicznych, np. metody wagowej, miareczkowania; oraz instrumentalnych, np. spektrometrii, radiometrii). Chemiczna analiza jakościowa związków nieorganicznych polega na wykrywaniu obecności określonych pierwiastków i jonów z wykorzystaniem odczynników chemicznych; zaś chemiczna analiza jakościowa związków organicznych polega na określaniu składu chemicznego bądź wykrywaniu obecności określonych grup funkcyjnych lub pierścieni aromatycznych za pomocą spektroskopii, chromatografii lub metod analizy instrumentalnej. Chemiczna analiza strukturalna polega głównie na określeniu struktury chemicznej związków chemicznych (liczby, rodzaju i wzajemnego układu wiązań chemicznych wykorzystaniem rentgenografii strukturalnej, spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR), spektroskopii w podczerwieni (IR), spektroskopii w zakresie światła widzialnego i bliskiego ultrafioletu (UV-VIS), spektrometrii mas bądź spektroskopii ramanowskiej.
Chemia fizyczna
Chemia fizyczna (fizykochemia) jest dziedziną chemii zajmującą się badaniem zależności pomiędzy budową strukturalną substancji chemicznej i jej właściwościami fizycznymi oraz zjawisk fizycznych występujących podczas reakcji chemicznych. Zagadnienia stanowiące domenę chemii fizycznej obejmują m.in. budowę strukturalną pierwiastków i związków chemicznych, stany skupienia substancji i przemiany fazowe (m.in. parowanie, skraplanie, krystalizacja, topnienie, jonizacja), kinetykę i mechanizm reakcji chemicznych, zjawiska powierzchniowe i układy koloidalne, termodynamiczne właściwości układów reagujących oraz efekty energetyczne towarzyszące reakcjom chemicznym (pochłanianie lub wydzielanie ciepła, absorpcja lub emisja światła, oddanie lub przyjęcie energii elektrycznej), powiązania reakcji chemicznych ze zjawiskami elektrycznymi (elektrochemia), reakcje zachodzące pod wpływem światła widzialnego, ultrafioletu i podczerwieni (fotochemia), powiązania struktury substancji z jej właściwościami magnetycznymi (magnetochemia). Badania fizykochemiczne prowadzone są z zastosowaniem różnych metod fizycznych – refraktometrii, chromatografii (np. chromatografii adsorpcyjnej, chromatografii jonowymiennej), metod spektroskopowych (np. spektroskopii w podczerwieni, spektroskopii elektronowej, spektrofluorymetrii), metod rezonansowych (np. magnetycznego rezonansu jądrowego, paramagnetycznego rezonansu elektronowego) oraz metod elektrochemicznych (np. potencjometrii, konduktometrii).
