خانه / مقالات فلزات / همه چیز در مورد علم شیمی

همه چیز در مورد علم شیمی

شیمی مطالعه علمی درباره خواص و رفتار ماده است و به بررسی عناصر تشکیل‌دهنده ماده، ترکیبات متشکل از اتم‌ها، مولکول‌ها و یون‌ها، ساختار، خواص، رفتار و تغییراتی که در طی واکنش با سایر مواد متحمل می‌شوند می‌پردازد. همچنین در زبان تاجیکستان، افغانستان و ایران کیمیا نام دارد و به فرانسوی Chimie خوانده می‌شود. شیمی جایگاهی بین زیست شناسی و فیزیک دارد و بعنوان یک رشته‌ی بنیادی شناخته می‌شود، زیرا مفاهیم ارائه شده در این علم به درک دیگر رشته‌های کمک می‌کند. به عنوان مثال تشکیل سنگ‌های آذرین، رشد گیاه، داروشناسی و … همگی به این علم ارتباط دارند.

همچنین برهم‌کنش میان اتم‌ها و مولکول‌ها با پیوندهای شیمیایی و تشکیل ترکیبات جدید توسط علم شیمی بررسی و انجام می‌شود. تمام ترکیبات موجود حداقل دارای یکی از پیوندهای یونی،وان‌دروالسی، کووالانسی، فلزی و یا هیدروژنی است.

همه چیز در مورد علم شیمی

تاریخچه شیمی

این واژه از زبان مصری باستان و از کلمه خامه یا خَمِه که به معنی زمین سیاه بوده برگرفته شده است. پس از سلطه ایران بر مصر واژه کیمیا به شرق راه یافت. در سال ۳۳۰ پیش از میلاد با نام خومِیا (χυμεία) وارد یونان و با شروع حکومت اسلام در خاورمیانه این کلمه به صورت الکیمیاء تغییر یافت و با جنگ‌های صلیبی به صورت الشمی (alchemy) خوانده شد.

شیمی در زبان فارسی از نام فرانسوی آن گرفته شده است و برای اولین بار توسط میرزا صالح شیرازی در سال ۱۸۳۱ در یک رساله به کار برده شد. دانش کیمیا توسط تلاش‌های بسیار بشر با تبدیل مواد کم ارزش به ترکیباتی چون زر شناخته شد. در واعق کیمیا پایه علم شیمی مدرن است. آنتوان لاووازیه پدر شیمی نوین است.

علم شیمی

اساس و پایه علم شیمی نظریه اتمی است که می‌گوید تمام مواد از واحدهای بسیار کوچکی به نام اتم تشکیل شده‌اند. یا اصل بقای جرم که در شیمی بعنوان یک علم تاثیر زیادی برجای گذاشت. این اصل بیان می‌کند در انجام یک واکنش شیمیایی عادی در ماده تغییری ایجاد نمی‌شود، اما فیزیک نوین ثابت نمود که این انرژی است که بدون تغییر باقی می‌ماند و انرژی و جرم با هم رابطه دارند.

بیشتر اتم‌ها با اتم‌های دیگر واکنش نشان می‌دهند مانند واکنش چوب با اکسیژن زمانی که می‌سوزد. از دیگر یافته‌های علم شیمی می‌توان به این مورد اشاره نمود که اتم‌ها تقریبا به نسبت مساوی یا یکدیگر ترکیب میشوند. گفتنی است در زمینه این قانون‌ها استثناهایی نیز وجود دارد.

از دیگر یافته‌های شیمی این است که در زمان انجام یک واکنش شیمیایی مقدار انرژی به دست آمده با انرژی از دست رفته همواره یکسان است که این امر نشان دهنده مفاهیم تعادل، سینتیک شیمیایی و ترمودینامیک است. اصول علم شیمی مدرن عبارتند از :

ماده 

در شیمی، ماده به هر چیزی گفته می شود که جرم و حجم سکون دارد (فضا را اشغال می کند) و از ذرات تشکیل شده است. ذرات تشکیل دهنده ماده دارای جرم سکون نیز هستند. همه ذرات جرم سکون ندارند، مانند فوتون. ماده می تواند یک ماده شیمیایی خالص یا مخلوطی از مواد باشد.

اتم 

اتم واحد اصلی شیمی است. از یک هسته متراکم به نام هسته اتمی تشکیل شده است که توسط فضایی که توسط یک ابر الکترونی اشغال شده احاطه شده است. هسته از پروتون‌های با بار مثبت و نوترون‌های بدون بار (با هم نوکلئون نامیده می شود) تشکیل شده است، در حالی که ابر الکترونی از الکترون‌هایی با بار منفی تشکیل شده است که به دور هسته می‌چرخند. در یک اتم خنثی، الکترون‌های با بار منفی، بار مثبت پروتون‌ها را متعادل می‌کنند. هسته متراکم است. جرم یک نوکلئون تقریباً ۱۸۳۶ برابر الکترون است، با این حال شعاع یک اتم حدود ۱۰۰۰۰ برابر هسته آن است.

اتم کوچکترین عضوی است که می‌توان برای حفظ خواص شیمیایی عنصر، مانند الکترونگاتیوی، پتانسیل یونیزاسیون، تعداد هماهنگی، و انواع پیوندهای ترجیحی برای تشکیل (مانند فلزی، یونی) در نظر گرفت.

عنصر 

یک عنصر شیمیایی ماده خالصی است که از یک نوع اتم تشکیل شده است و با تعداد خاصی از پروتون‌ها، در هسته اتم‌های آن مشخص می‌شود که عدد اتمی نام دارد و با نماد Z نشان داده می‌شود. عدد جرمی حاصل جمع تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها در یک هسته است اگرچه همه هسته‌های همه اتم‌های متعلق به یک عنصر، دارای عدد اتمی یکسانی هستند، اما ممکن است لزوماً عدد جرمی یکسانی نداشته باشند. اتم‌های یک عنصر که دارای اعداد جرمی متفاوتی هستند به عنوان ایزوتوپ شناخته می شوند. برای مثال، تمام اتم‌هایی که در هسته‌شان ۶ پروتون وجود دارد، اتم‌های عنصر شیمیایی کربن هستند، اما اتم‌های کربن ممکن است دارای اعداد جرمی ۱۲ یا ۱۳ باشند.

نمایش استاندارد عناصر شیمیایی در جدول تناوبی است که عناصر را بر اساس عدد اتمی مرتب می کند. جدول تناوبی در گروه‌ها یا ستون‌ها  یا ردیف ها مرتب شده است. جدول تناوبی در شناسایی روندهای دوره ای مفید است.

ترکیب

ترکیب یک ماده شیمیایی خالص بوده و بیش از یک عنصر تشکیل شده است.همچنین خواص ترکیبات شباهت کمی به خواص عناصر تشکیل دهنده دارند. نامگذاری استاندارد ترکیبات توسط اتحادیه بین المللی شیمی خالص و کاربردی انجام می‌شوند.

مولکول

یک مولکول کوچکترین بخش غیرقابل تقسیم ماده شیمیایی خالص بوده و دارای مجموعه منحصربه‌فردی از خواص شیمیایی است، یعنی پتانسیل آن برای انجام مجموعه خاصی از واکنش‌های شیمیایی با مواد دیگر. با این حال، این تعریف فقط برای موادی که از مولکول‌ها تشکیل شده‌اند به خوبی کار می‌کند، که در مورد بسیاری از مواد صادق نیست. مولکول‌ها معمولاً مجموعه‌ای از اتم‌ها هستند که توسط پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل شده‌اند، به طوری که ساختار از نظر الکتریکی خنثی است و همه الکترون‌های ظرفیتی با الکترون‌های دیگر به صورت پیوند یا به صورت جفت تنها جفت می‌شوند.

بنابراین، مولکول‌ها برخلاف یون‌ها به عنوان واحدهای خنثی الکتریکی وجود دارند. هنگامی که این قانون شکسته می‌شود و به “مولکول” بار می‌دهد، نتیجه گاهی اوقات یک یون مولکولی یا یک یون چند اتمی نامیده می‌شود. با این حال، ماهیت گسسته و مجزای مفهوم مولکولی معمولاً مستلزم آن است که یون‌های مولکولی فقط به شکل کاملاً از هم جدا شده باشند، مانند یک پرتو هدایت‌شده در خلاء در طیف‌سنج جرمی.

با این حال، همه مواد یا ترکیبات شیمیایی از مولکول‌های مجزا تشکیل نشده‌اند، و در واقع بیشتر مواد جامد که پوسته جامد، گوشته و هسته زمین را تشکیل می‌دهند، ترکیبات شیمیایی بدون مولکول هستند. این انواع دیگر از مواد، مانند ترکیبات یونی و جامدات شبکه ای، به گونه ای سازماندهی شده اند که به خودی خود مولکول های قابل شناسایی را ندارند. در عوض، این مواد از نظر واحدهای فرمول یا سلول های واحد به عنوان کوچکترین ساختار تکرار شونده در ماده مورد بحث قرار می گیرند. نمونه هایی از این مواد عبارتند از نمک های معدنی (مانند نمک خوراکی)، مواد جامد مانند کربن و الماس، فلزات و سیلیس و کانی های سیلیکات آشنا مانند کوارتز و گرانیت.

یکی از ویژگی های اصلی یک مولکول هندسه آن است که اغلب به آن ساختار آن می گویند. در حالی که ساختار مولکول های دو اتمی، سه اتمی یا چهار اتمی ممکن است بی اهمیت باشد، (خطی، هرمی زاویه ای و غیره) ساختار مولکول های چند اتمی، که از بیش از شش اتم (از چندین عنصر) تشکیل شده اند، می تواند برای ماهیت شیمیایی آن بسیار مهم باشد.

ماده و مخلوط

ماده شیمیایی نوعی ماده با ترکیب و مجموعه ای از خواص معین است. به مجموعه ای از مواد مخلوط می گویند. نمونه هایی از مخلوط ها هوا و آلیاژها هستند.

مول و مقدار ماده

مول واحد اندازه گیری است که مقداری از ماده را نشان می دهد. یک مول دقیقاً حاوی ۶٫۰۲۲۱۴۰۷۶×۱۰۲۳ ذره (اتم ها، مولکول ها، یون ها یا الکترون ها) است که تعداد ذرات در هر مول به عنوان ثابت آووگادرو شناخته می شود.  غلظت مولی مقدار یک ماده خاص در حجم محلول است و معمولاً بر حسب mol/dm3 گزارش می شود.

فاز

فاز مجموعه ای از حالات یک سیستم شیمیایی است که دارای خواص ساختاری توده ای مشابه، در طیف وسیعی از شرایط، مانند فشار یا دما است. خواص فیزیکی مانند چگالی و ضریب شکست در مقادیر مشخصه فاز قرار می گیرند. فاز ماده با انتقال فاز تعریف می‌شود، یعنی زمانی که انرژی وارد یا خارج از سیستم می‌شود، به‌جای تغییر شرایط توده، ساختار سیستم را تغییر می‌دهد.

آشناترین نمونه فازها جامدات، مایعات و گازها هستند. بسیاری از مواد دارای فازهای جامد متعددی هستند. به عنوان مثال، سه فاز آهن جامد (آلفا، گاما و دلتا) وجود دارد که بر اساس دما و فشار متفاوت است. تفاوت اصلی بین فازهای جامد ساختار بلوری یا آرایش اتم ها است. فاز دیگری که معمولاً در مطالعه شیمی با آن مواجه می‌شویم، فاز آبی است که حالت مواد محلول در محلول آبی (یعنی در آب) است.

پیوند شیمیایی

اتم هایی که در مولکول ها یا کریستال ها به هم می چسبند با یکدیگر پیوند دارند. یک پیوند شیمیایی ممکن است به عنوان تعادل چند قطبی بین بارهای مثبت در هسته و بارهای منفی نوسان در اطراف آنها تجسم شود. پیوند شیمیایی می‌تواند یک پیوند کووالانسی، یک پیوند یونی، یک پیوند هیدروژنی یا فقط به دلیل نیروی واندروالس باشد.

پیوند یونی

پیوند یونی زمانی تشکیل می‌شود که یک فلز یک یا چند الکترون خود را از دست می‌دهد و به کاتیونی با بار مثبت تبدیل می‌شود و سپس الکترون‌ها توسط اتم غیرفلزی به دست می‌آیند و تبدیل به آنیونی با بار منفی می‌شوند. دو یون با بار مخالف یکدیگر را جذب می کنند و پیوند یونی نیروی جاذبه الکترواستاتیکی بین آنهاست.

پیوند کووالانسی

در یک پیوند کووالانسی، یک یا چند جفت الکترون ظرفیتی توسط دو اتم به اشتراک گذاشته می‌شوند: گروهی که از نظر الکتریکی خنثی از اتم‌های پیوندی حاصل می‌شوند، یک مولکول نامیده می‌شوند. اتم ها الکترون های ظرفیت را به گونه ای به اشتراک خواهند گذاشت که برای هر اتم یک پیکربندی الکترون گاز نجیب (هشت الکترون در بیرونی ترین پوسته خود) ایجاد کنند.

انرژی

در زمینه شیمی، انرژی یک ویژگی یک ماده است که در نتیجه ساختار اتمی، مولکولی یا کل آن است. از آنجایی که یک تبدیل شیمیایی با تغییر در یک یا چند نوع از این ساختارها همراه است، همواره با افزایش یا کاهش انرژی مواد درگیر همراه است. مقداری انرژی بین محیط اطراف و واکنش دهنده های واکنش به صورت گرما یا نور منتقل می شود. بنابراین محصولات یک واکنش ممکن است بیشتر یا کمتر از واکنش دهنده ها انرژی داشته باشند.

واکنش شیمیایی

هنگامی که یک ماده شیمیایی در نتیجه برهمکنش آن با ماده دیگر یا با انرژی تبدیل می شود، یک واکنش شیمیایی می گویند. بنابراین یک واکنش شیمیایی مفهومی است مربوط به “واکنش” یک ماده زمانی که در تماس نزدیک با ماده دیگر، چه به صورت مخلوط یا یک محلول باشد. این امر منجر به تبادل انرژی بین اجزای تشکیل دهنده واکنش و همچنین با محیط سیستم می شود.

واکنش‌های شیمیایی می‌تواند منجر به تشکیل یا تفکیک مولکول‌ها شود، یعنی مولکول‌ها از هم جدا شوند و دو یا چند مولکول تشکیل دهند یا اتم‌ها را در داخل یا در بین مولکول‌ها بازآرایی کنند. واکنش های شیمیایی معمولاً شامل ایجاد یا شکستن پیوندهای شیمیایی است. اکسیداسیون، احیا، تفکیک، خنثی سازی اسید-باز و بازآرایی مولکولی برخی از انواع واکنش های شیمیایی رایج هستند.

یون ها و نمک ها

یک اتم یا یک مولکول است که یک یا چند الکترون را از دست داده یا به دست آورده است. هنگامی که یک اتم یک الکترون از دست می دهد و بنابراین پروتون بیشتری نسبت به الکترون دارد، اتم یک یون یا کاتیون با بار مثبت است. هنگامی که یک اتم یک الکترون به دست می آورد و بنابراین الکترون های بیشتری نسبت به پروتون دارد، اتم یک یون یا آنیون با بار منفی است.

واکنش اسیدی و بازی

یک ماده را اغلب می توان به عنوان اسید یا باز طبقه بندی کرد. اسید ماده‌ای است که وقتی در آب حل می‌شود یون هیدرونیوم تولید می‌کند و باز آن چیزی است که وقتی در آب حل می‌شود یون هیدروکسید تولید می‌کند

اکسایش-کاهش

شامل تمام واکنش‌های شیمیایی است که در آنها حالت اکسیداسیون اتم‌ها با به دست آوردن الکترون (کاهش) یا از دست دادن الکترون (اکسیداسیون) تغییر می‌کند. موادی که توانایی اکسید کردن سایر مواد را دارند، اکسید کننده هستند و به عنوان شناخته می‌شوند.

تعادل

زمانی که تعدادی از حالت های مختلف ترکیب شیمیایی امکان پذیر باشد، تعادل شیمیایی به وجود می آید. به عنوان مثال، در مخلوطی از چندین ترکیب شیمیایی که می توانند با یکدیگر واکنش دهند. یا زمانی که یک ماده می تواند در بیش از یک نوع فاز وجود داشته باشد.

همچنین ببینید

همه چیز در مورد خوردگی و انواع آن

همه چیز در مورد خوردگی و انواع آن

خوردگی عبارت است از زوال یک ماده در نتیجه برهمکنش آن با محیط اطرافش که …

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *