Chemie - Chemistry

Olejomalba chemika ( Ana Kansky , namaloval Henrika Šantel v roce 1932)

Chemie je vědecké studium vlastností a chování hmoty . Je to přírodní věda, která pokrývá prvky, které tvoří hmotu sloučenin složených z atomů , molekul a iontů : jejich složení, strukturu, vlastnosti, chování a změny, kterými procházejí během reakce s jinými látkami .

V rozsahu svého předmětu zaujímá chemie mezipolohu mezi fyzikou a biologií . Někdy se mu říká centrální věda, protože poskytuje základ pro pochopení základních i aplikovaných vědních oborů na základní úrovni. Chemie například vysvětluje aspekty chemie rostlin ( botanika ), tvorbu vyvřelých hornin ( geologie ), jak vzniká atmosférický ozon a jak se znečišťují znečišťující látky v životním prostředí ( ekologie ), vlastnosti půdy na Měsíci ( kosmochemie ), jak léky fungují ( farmakologie ) a jak sbírat důkazy DNA na místě činu ( kriminalistika ).

Chemie se zabývá tématy, jako je interakce atomů a molekul prostřednictvím chemických vazeb za vzniku nových chemických sloučenin . Existují dva typy chemických vazeb: 1. primární chemické vazby, např. Kovalentní vazby, ve kterých atomy sdílejí jeden nebo více elektronů; iontové vazby , ve kterých atom daruje jeden nebo více elektronů jinému atomu za vzniku iontů ( kationtů a aniontů ); kovové vazby a 2. sekundární chemické vazby, např. vodíkové vazby ; Van der Waalsovy silové vazby, interakce ion-ion, interakce ion-dipól atd.

Etymologie

Slovo chemie pochází z modifikace slova alchymie , které odkazovalo na dřívější soubor postupů, které zahrnovaly prvky chemie, metalurgie , filozofie , astrologie , astronomie , mystiky a medicíny . Alchymie je často považována za spojenou se snahou přeměnit olovo nebo jiné obecné kovy na zlato, ačkoli alchymisty také zajímaly mnohé otázky moderní chemie.

Moderní slovo alchymie je zase odvozeno z arabského slova al-kīmīā ( الكیمیاء ). To může mít egyptský původ, protože al-kīmīā je odvozena ze starořeckého χημία , což je zase odvozeno od slova Kemet , což je starověký název Egypta v egyptském jazyce. Alternativně může al-kīmīā pocházet z χημείαsesazeného dohromady“.

Moderní principy

Laboratoř , Biochemický ústav, Kolínská univerzita v Německu .

Současný model atomové struktury je kvantově mechanický model . Tradiční chemie začíná studiem elementárních částic , atomů , molekul , látek , kovů , krystalů a dalších agregátů hmoty . Hmotu lze studovat v pevných, kapalných, plynných a plazmatických stavech , izolovaně nebo v kombinaci. Tyto interakce , reakce a transformace, které jsou studovány v chemii jsou obvykle výsledkem interakce mezi atomy, což vede k přeskupení chemické vazby, které drží atomy pohromadě. Takové chování se studuje v chemické laboratoři .

Chemická laboratoř stereotypně používá různé formy laboratorního skla . Sklo však není pro chemii stěžejní a velká část experimentální (stejně jako aplikované/průmyslové) chemie se provádí bez ní.

Roztoky látek v lahvích s reagenciemi, včetně hydroxidu amonného a kyseliny dusičné , osvětlené různými barvami

Chemická reakce je přeměna některých látek do jedné nebo více různých látek. Základem takové chemické transformace je přeskupení elektronů v chemických vazbách mezi atomy. Lze jej symbolicky znázornit pomocí chemické rovnice , která obvykle zahrnuje atomy jako subjekty. Počet atomů vlevo a vpravo v rovnici pro chemickou transformaci je stejný. (Pokud je počet atomů na obou stranách nestejný, transformace se označuje jako jaderná reakce nebo radioaktivní rozpad .) Typ chemických reakcí, kterým může látka procházet, a energetické změny, které ji mohou doprovázet, jsou omezeny určitými základními pravidly, známé jako chemické zákony .

Úvahy o energii a entropii jsou vždy důležité téměř ve všech chemických studiích. Chemické látky jsou klasifikovány podle struktury , fáze a chemického složení . Lze je analyzovat pomocí nástrojů chemické analýzy , např. Spektroskopie a chromatografie . Vědci zabývající se chemickým výzkumem jsou známí jako chemici . Většina chemiků se specializuje na jednu nebo více dílčích disciplín. Pro studium chemie je zásadních několik konceptů ; někteří z nich jsou:

Hmota

V chemii je hmota definována jako cokoli, co má klidovou hmotnost a objem (zabírá místo) a je tvořeno částicemi . Částice, které tvoří hmotu, mají také klidovou hmotnost - ne všechny částice mají klidovou hmotnost, například foton . Hmotou může být čistá chemická látka nebo směs látek.

Atom

Schéma atomu na základě Bohrova modelu

Atom je základní jednotkou chemie. Skládá se z hustého jádra zvaného atomové jádro obklopeného prostorem obsazeným elektronovým mrakem . Jádro se skládá z kladně nabitých protonů a nenabitých neutronů (společně nazývaných nukleony ), zatímco elektronový mrak se skládá ze záporně nabitých elektronů, které obíhají kolem jádra. V neutrálním atomu vyrovnávají záporně nabité elektrony kladný náboj protonů. Jádro je husté; hmotnost nukleonu je přibližně 1836krát větší než elektron, přesto je poloměr atomu asi 10 000krát větší než jeho jádra.

Atom je také nejmenší entitou, u které lze předpokládat zachování chemických vlastností prvku, jako je elektronegativita , ionizační potenciál , preferovaný oxidační stav (y), koordinační číslo a upřednostňované typy vazeb k vytvoření (např. Kovové , iontové , kovalentní ).

Živel

Standardní forma periodické tabulky chemických prvků. Barvy představují různé kategorie prvků

Chemická prvkem je čistá látka, která se skládá z jednoho typu atomu, vyznačující se svým určitým počtem protonů v jádrech jeho atomů, známé jako atomové číslo a reprezentovaných symbolem Z . Číslo hmotnost je součet počtu protonů a neutronů v jádře. Ačkoli všechna jádra všech atomů patřící k jednomu prvku budou mít stejné atomové číslo, nemusí mít nutně stejné hmotnostní číslo; atomy prvku, které mají různá hmotnostní čísla, se nazývají izotopy . Například všechny atomy se 6 protony v jádrech jsou atomy chemického prvku uhlík , ale atomy uhlíku mohou mít hmotnostní čísla 12 nebo 13.

Standardní prezentace chemických prvků je v periodické tabulce , která seřazuje prvky podle atomového čísla. Periodická tabulka je uspořádána do skupin nebo sloupců a teček nebo řádků. Periodická tabulka je užitečná při identifikaci periodických trendů .

Sloučenina

Oxid uhličitý (CO 2 ), příklad chemické sloučeniny

Sloučenina je čistá chemická látka skládá z více než jeden prvek. Vlastnosti sloučeniny se jen málo podobají vlastnostem jejích prvků. Standardní nomenklatura sloučenin je stanovena Mezinárodní unií čisté a aplikované chemie (IUPAC). Organické sloučeniny jsou pojmenovány podle systému organické nomenklatury . Názvy anorganických sloučenin jsou vytvářeny podle systému anorganické nomenklatury . Pokud má sloučenina více než jednu složku, jsou rozděleny do dvou tříd, elektropozitivní a elektronegativní složky. Kromě toho služba Chemical Abstracts navrhla metodu indexování chemických látek. V tomto schématu je každá chemická látka identifikovatelná číslem známým jako její registrační číslo CAS .

Molekula

Reprezentace molekuly kofeinu koulí a hůlkou (C 8 H 10 N 4 O 2 ).

Molekula je nejmenší nedělitelná část čisté chemické látky , která má svůj jedinečný soubor chemických vlastností, která je jeho potenciál podstoupit určitý soubor chemických reakcí s jinými látkami. Tato definice však funguje dobře pouze pro látky, které jsou složeny z molekul, což u mnoha látek neplatí (viz níže). Molekuly jsou typicky sada atomů spojených kovalentními vazbami , takže struktura je elektricky neutrální a všechny valenční elektrony jsou spárovány s jinými elektrony buď ve vazbách, nebo v osamocených párech .

Molekuly tedy existují jako elektricky neutrální jednotky, na rozdíl od iontů. Když je toto pravidlo porušeno a dává „molekule“ náboj, výsledek se někdy nazývá molekulární ion nebo polyatomický ion. Diskrétní a oddělená povaha molekulárního konceptu však obvykle vyžaduje, aby molekulární ionty byly přítomny pouze v dobře oddělené formě, jako je například směrovaný paprsek ve vakuu v hmotnostním spektrometru . Nabité polyatomické soubory, které se nacházejí v pevných látkách (například v běžných síranových nebo dusičnanových iontech), se v chemii obecně nepovažují za „molekuly“. Některé molekuly obsahují jeden nebo více nepárových elektronů, které vytvářejí radikály . Většina radikálů je poměrně reaktivní, ale některé, například oxid dusnatý (NO), mohou být stabilní.

2-D strukturní vzorec z benzenu molekuly (C 6 H 6 )

„Inertní“ nebo vzácné plynné prvky ( helium , neon , argon , krypton , xenon a radon ) se skládají z osamělých atomů jako jejich nejmenší diskrétní jednotka, ale ostatní izolované chemické prvky se skládají buď z molekul nebo sítí atomů spojených navzájem nějakým způsobem. Identifikovatelné molekuly skládají známé látky, jako je voda, vzduch a mnoho organických sloučenin, jako je alkohol, cukr, benzín a různá léčiva .

Ne všechny látky nebo chemické sloučeniny však sestávají z diskrétních molekul a většina pevných látek, které tvoří pevnou kůru, plášť a jádro Země, jsou chemické sloučeniny bez molekul. Tyto další druhy látek, jako jsou iontové sloučeniny a síťové pevné látky , jsou organizovány takovým způsobem, že samy o sobě postrádají existenci identifikovatelných molekul . Místo toho jsou tyto látky diskutovány ve smyslu jednotek vzorce nebo jednotkových buněk jako nejmenší opakující se struktury v látce. Příklady takových látek jsou minerální soli (jako je stolní sůl ), pevné látky jako uhlík a diamant, kovy a známé minerály oxidu křemičitého a křemičitanu, jako je křemen a žula.

Jednou z hlavních charakteristik molekuly je její geometrie, často nazývaná její struktura . Zatímco struktura diatomických, triatomických nebo tetraatomových molekul může být triviální ((lineární, úhlová pyramidová atd.)) Struktura polyatomických molekul, které jsou tvořeny více než šesti atomy (z několika prvků), může být zásadní pro její chemickou povahu .

Látka a směs

Cín.png Síra-sample.jpg
Diamants maclés 2 (République d'Afrique du Sud) .jpg Cukr 2xmacro.jpg
Sal (zavřít) .jpg Hydrogenuhličitan sodný.jpg
Příklady čistých chemických látek. Zleva doprava: prvků cínu (Sn) a síry (S), diamant (AN allotrope z uhlíku ), sacharóza (čistý cukr) a chlorid sodný (sůl) a hydrogenuhličitan sodný (jedlá soda), které jsou obě iontové sloučeniny .

Chemická látka je druh hmoty s určitým složením a sadou vlastností . Soubor látek se nazývá směs. Příklady směsí jsou vzduch a slitiny .

Krtek a množství látky

Krtek je měrnou jednotkou, která označuje množství látky (nazývané také chemické množství). Jeden mol je definován tak, aby přesně obsahoval6,022 140 76 × 10 23 částic ( atomy , molekuly , ionty nebo elektrony ), kde počet částic na mol je znám jako Avogadrova konstanta . Molární koncentrace je množství konkrétní látky na objem roztoku a běžně se uvádí v mol/ dm 3 .

Fáze

Diagram znázorňující vztahy mezi fázemi a termíny používané k popisu fázových změn.

Kromě specifických chemických vlastností, které odlišují různé chemické klasifikace, mohou chemikálie existovat v několika fázích. Chemické klasifikace jsou z větší části nezávislé na těchto klasifikacích hromadné fáze; některé exotičtější fáze jsou však nekompatibilní s určitými chemickými vlastnostmi. Fáze je soubor stavů chemického systému, které mají podobné hromadné strukturální vlastnosti, v rozsahu podmínek, jako je tlak a teplota .

Fyzikální vlastnosti, jako je hustota a index lomu, obvykle spadají do hodnot charakteristických pro fázi. Fáze hmoty je definována fázovým přechodem , kdy energie vložená do systému nebo odebíraná ze systému přechází do přeskupení struktury systému namísto změny objemových podmínek.

Někdy může být rozdíl mezi fázemi spojitý namísto diskrétní hranice ', v tomto případě je záležitost považována za v superkritickém stavu. Když se tři stavy setkají na základě podmínek, je to známé jako trojný bod, a protože je to invariantní, je to pohodlný způsob, jak definovat sadu podmínek.

Nejznámějšími příklady fází jsou pevné látky , kapaliny a plyny . Mnoho látek vykazuje více pevných fází. Například existují tři fáze pevného železa (alfa, gama a delta), které se liší podle teploty a tlaku. Zásadním rozdílem mezi pevnými fázemi je krystalová struktura nebo uspořádání atomů. Další fází, se kterou se při studiu chemie běžně setkáváme, je vodná fáze, což je stav látek rozpuštěných ve vodném roztoku (tedy ve vodě).

Mezi méně známé fáze patří plazma , Bose -Einsteinův kondenzát a fermionický kondenzát a paramagnetická a feromagnetická fáze magnetických materiálů. Zatímco nejznámější fáze se zabývají trojrozměrnými systémy, je také možné definovat analogy v dvojrozměrných systémech, kterým se věnuje pozornost pro jejich význam pro systémy v biologii .

Lepení

Animace procesu iontové vazby mezi sodíkem (Na) a chlorem (Cl) za vzniku chloridu sodného nebo běžné kuchyňské soli. Iontová vazba zahrnuje jeden atom odebírající valenční elektrony od druhého (na rozdíl od sdílení, ke kterému dochází při kovalentní vazbě)

Atomy slepené dohromady v molekulách nebo krystalech jsou údajně navzájem spojeny. Chemickou vazbu lze zobrazit jako multipólovou rovnováhu mezi kladnými náboji v jádrech a zápornými náboji, které kolem nich oscilují. Energie a distribuce více než pouhá přitažlivost a odpuzování charakterizují dostupnost elektronu pro vazbu k jinému atomu.

Chemická vazba může být kovalentní vazba , iontová vazba , vodíková vazba nebo jen díky Van der Waalsově síle . Každý z těchto druhů dluhopisů má určitý potenciál. Tyto potenciály vytvářejí interakce, které drží atomy pohromadě v molekulách nebo krystalech . V mnoha jednoduchých sloučeninách lze k vysvětlení molekulární struktury a složení použít teorii valenčních vazeb , model odpuzování elektronových párů Valence Shell Electron Pair ( VSEPR ) a koncept oxidačního čísla .

Iontová vazba vzniká, když kov ztratí jeden nebo více svých elektronů, čímž se stane kladně nabitým kationtem, a elektrony pak získá nekovový atom a stane se záporně nabitým aniontem. Oba opačně nabité ionty se navzájem přitahují a iontová vazba je elektrostatická přitažlivá síla mezi nimi. Například, sodík (Na), kov, ztratí jeden elektron, aby se stal Na + kation, zatímco chlor (Cl), non-kov, získává tento elektron stát Cl - . Ionty jsou drženy pohromadě díky elektrostatické přitažlivosti a vzniká sloučenina chlorid sodný (NaCl) nebo běžná kuchyňská sůl.

V molekule metanu (CH 4 ) atom uhlíku sdílí pár valenčních elektronů s každým ze čtyř atomů vodíku. U C-atomu je tedy splněno oktetové pravidlo (ve valenčním obalu má osm elektronů) a pro H-atomy je splněno duetové pravidlo (ve valenčním obalu mají dva elektrony).

V kovalentní vazbě je jeden nebo více párů valenčních elektronů sdíleno dvěma atomy: výsledná elektricky neutrální skupina vázaných atomů se označuje jako molekula . Atomy budou sdílet valenční elektrony takovým způsobem, aby pro každý atom vytvořily konfiguraci elektronů vzácných plynných atomů (osm elektronů v jejich nejvzdálenějším obalu). Atomy, které mají tendenci se spojovat takovým způsobem, že každý má ve valenčním obalu osm elektronů, se údajně řídí oktetovým pravidlem . K dosažení této stabilní konfigurace však některé prvky, jako je vodík a lithium, potřebují pouze dva elektrony ve svém nejvzdálenějším obalu; tyto atomy prý dodržují duetové pravidlo , a tímto způsobem dosahují elektronové konfigurace helium vzácného plynu , který má ve vnějším plášti dva elektrony.

Podobně lze teorie z klasické fyziky použít k předpovědi mnoha iontových struktur. U komplikovanějších sloučenin, jako jsou kovové komplexy , je teorie valenčních vazeb méně použitelná a obecně se používají alternativní přístupy, jako je teorie molekulárních orbitálů . Viz diagram na elektronických orbitálech.

Energie

V kontextu chemie je energie atributem látky v důsledku její atomové , molekulární nebo agregační struktury . Vzhledem k tomu, chemické transformace je doprovázena změnou v jednom nebo více z těchto druhů konstrukcí, to je vždy doprovázeno zvýšením či snížením o energii z látek. Určitá energie se přenáší mezi okolím a reakčními složkami reakce ve formě tepla nebo světla ; produkty reakce tedy mohou mít více nebo méně energie než reaktanty.

Říká se, že reakce je exergonická, pokud je konečný stav v energetickém měřítku nižší než počáteční stav; v případě endergonických reakcí je situace opačná. Říká se, že reakce je exotermická, pokud reakce uvolňuje teplo do okolí; v případě endotermických reakcí reakce absorbuje teplo z okolí.

Chemické reakce nejsou vždy možné, pokud reakční složky nepřekonají energetickou bariéru známou jako aktivační energie . Rychlost chemické reakce (při dané teplotě T), je spojena s aktivační energie E, Boltzmannova je populace faktor - to je pravděpodobnost molekuly mít energií větší než nebo rovnající se E při dané teplotě T. Tento exponenciální závislost reakční rychlosti na teplotě je známá jako Arrheniova rovnice . Aktivační energie nezbytná k chemické reakci může být ve formě tepla, světla, elektřiny nebo mechanické síly ve formě ultrazvuku .

Související koncept volná energie , který také zahrnuje úvahy o entropii, je velmi užitečným prostředkem pro predikci proveditelnosti reakce a určení stavu rovnováhy chemické reakce v chemické termodynamice . Reakce je možná pouze tehdy, je -li celková změna Gibbsovy volné energie negativní ; pokud se rovná nule, říká se, že chemická reakce je v rovnováze .

Pro elektrony, atomy a molekuly existují pouze omezené možné energetické stavy. Ty jsou určeny pravidly kvantové mechaniky , které vyžadují kvantování energie vázaného systému. Atomy/molekuly ve vyšším energetickém stavu jsou prý buzeny. Molekuly/atomy látky v excitovaném energetickém stavu jsou často mnohem reaktivnější; to znamená, že je přístupnější chemickým reakcím.

Fáze látky je vždy dána její energií a energií jejího okolí. Když jsou mezimolekulární síly látky takové, že energie okolí nestačí k jejich překonání, nastává v uspořádanější fázi jako kapalina nebo pevná látka, jako je tomu u vody (H 2 O); kapalina při pokojové teplotě, protože její molekuly jsou vázány vodíkovými vazbami . Zatímco sirovodík (H 2 S) je plyn při pokojové teplotě a standardním tlaku, protože jeho molekuly jsou vázány slabšími interakcemi dipól-dipól .

Přenos energie z jedné chemické látky do jiné závisí na velikosti energetických kvanta emitovaných z jedné látky. Tepelná energie je však často snadněji přenášena z téměř jakékoli látky na jinou, protože fonony zodpovědné za vibrační a rotační energetické hladiny v látce mají mnohem méně energie než fotony vyvolávané pro elektronický přenos energie. Protože jsou tedy vibrační a rotační energetické hladiny v těsnější vzdálenosti než elektronické energetické hladiny, teplo se snáze přenáší mezi látkami ve vztahu ke světlu nebo jiným formám elektronické energie. Například ultrafialové elektromagnetické záření není přenášeno s takovou účinností z jedné látky na druhou jako tepelná nebo elektrická energie.

Existence charakteristických úrovní energie pro různé chemické látky je užitečná pro jejich identifikaci analýzou spektrálních čar . V chemické spektroskopii se často používají různé druhy spekter , např. Infračervené , mikrovlnné , NMR , ESR atd. Spektroskopie se také používá k identifikaci složení vzdálených objektů - jako jsou hvězdy a vzdálené galaxie - analýzou jejich radiačních spekter.

Emisní spektrum železa

Termín chemická energie se často používá k označení potenciálu chemické látky podstoupit transformaci chemickou reakcí nebo transformovat jiné chemické látky.

Reakce

Během chemických reakcí se vazby mezi atomy lámou a tvoří, což má za následek vznik různých látek s různými vlastnostmi. Ve vysoké peci reaguje oxid železa, sloučenina , s oxidem uhelnatým za vzniku železa, jednoho z chemických prvků , a oxidu uhličitého.

Když se chemická látka transformuje v důsledku její interakce s jinou látkou nebo s energií, údajně došlo k chemické reakci. Chemická reakce je tedy pojem vztahuje k „reakci“ látky, když přijde do těsného kontaktu s jiným, ať už ve formě směsi nebo roztoku ; vystavení nějaké formě energie nebo obojí. Výsledkem je určitá výměna energie mezi složkami reakce a také s prostředím systému, což mohou být navržené nádoby - často laboratorní sklo .

Chemické reakce mohou vést k tvorbě nebo disociaci molekul, to znamená k rozpadu molekul za vzniku dvou nebo více molekul nebo přeskupení atomů uvnitř molekul nebo mezi nimi. Chemické reakce obvykle zahrnují vytváření nebo lámání chemických vazeb. Oxidace, redukce , disociace , acidobazická neutralizace a molekulární přeskupení jsou některé z běžně používaných druhů chemických reakcí.

Chemickou reakci lze symbolicky znázornit pomocí chemické rovnice . Zatímco v nejaderné chemické reakci je počet a druh atomů na obou stranách rovnice stejný, pro jadernou reakci to platí pouze pro jaderné částice, tj. protony a neutrony.

Posloupnost kroků, ve kterých může v průběhu chemické reakce probíhat reorganizace chemických vazeb, se nazývá její mechanismus . Chemickou reakci lze předpokládat v několika krocích, z nichž každý může mít jinou rychlost. Lze tedy předpokládat mnoho reakčních meziproduktů s proměnlivou stabilitou v průběhu reakce. K vysvětlení kinetiky a relativní směsi produktů reakce jsou navrženy reakční mechanismy . Mnoho fyzikálních chemiků se specializuje na zkoumání a navrhování mechanismů různých chemických reakcí. Při navrhování mechanismu chemické reakce často přijde vhod několik empirických pravidel, jako jsou pravidla Woodward – Hoffmann .

Podle zlaté knihy IUPAC je chemická reakce „proces, jehož výsledkem je vzájemná konverze chemických druhů“. V souladu s tím může být chemická reakce elementární reakcí nebo stupňovitou reakcí . Je vytvořena další výhrada v tom, že tato definice zahrnuje případy, kdy je interkonverze konformerů experimentálně pozorovatelná. Takové detekovatelné chemické reakce obvykle zahrnují soubory molekulárních entit, jak je naznačeno touto definicí, ale často je koncepčně výhodné použít tento termín také pro změny zahrnující jednotlivé molekulární entity (tj. „Mikroskopické chemické děje“).

Ionty a soli

Struktura krystalové mřížky chloridu draselného (KCl), soli, která vzniká díky přitažlivosti K + kationtů a Cl - aniontů. Všimněte si, jak je celkový náboj iontové sloučeniny nulový.

Ion je nabitý druh, atom nebo molekula, která má ztratili nebo získali jednoho nebo více elektronů. Když atom ztratí elektron a má tedy více protonů než elektronů, je atomem kladně nabitý ion nebo kation . Když atom získá elektron a má tedy více elektronů než protonů, je atomem záporně nabitý ion nebo anion . Kationty a anionty mohou tvořit krystalickou mřížku neutrálních solí , jako jsou ionty Na + a Cl - tvořící chlorid sodný nebo NaCl. Příklady polyatomických iontů , které se během acidobazických reakcí nerozpadnou, jsou hydroxid (OH - ) a fosfát (PO 4 3− ).

Plazma se skládá z plynných látek, které byly zcela ionizovány, obvykle vysokou teplotou.

Kyselost a zásaditost

Bromovodík existuje v plynné fázi jako diatomická molekula

Látku lze často klasifikovat jako kyselinu nebo zásadu . Existuje několik různých teorií, které vysvětlují chování acidobazické. Nejjednodušší je Arrheniova teorie , která říká, že kyselina je látka, která při rozpuštění ve vodě produkuje hydroniové ionty , a báze je ta, která po rozpuštění ve vodě produkuje hydroxidové ionty . Podle teorie Brønsted – Lowryho acidobazické zásady jsou kyseliny látky, které při chemické reakci darují pozitivní vodíkový iont jiné látce; v širším smyslu je báze látka, která přijímá vodíkový ion.

Třetí běžnou teorií je Lewisova acidobazická teorie , která je založena na tvorbě nových chemických vazeb. Lewisova teorie vysvětluje, že kyselina je látka, která je schopna přijmout pár elektronů z jiné látky během procesu vytváření vazby, zatímco báze je látka, která může poskytnout pár elektronů k vytvoření nové vazby. Podle této teorie jsou klíčovými věcmi, které se vyměňují, poplatky. Existuje několik dalších způsobů, kterými lze látku klasifikovat jako kyselinu nebo zásadu, jak je zřejmé z historie tohoto konceptu.

Síla kyseliny se běžně měří dvěma metodami. Jedno měření, založené na Arrheniově definici kyselosti, je pH , což je měření koncentrace hydroniových iontů v roztoku, vyjádřené v negativní logaritmické stupnici. Roztoky, které mají nízké pH, mají vysokou koncentraci hydroniových iontů a lze o nich říci, že jsou kyselejší. Druhá měření, na základě definice Bronsted-Lowryho, je disociační konstanta kyseliny (K ), který měří relativní schopnost látky působit jako kyselinou za definici Bronsted-Lowryho kyseliny. To znamená, že látky s vyšším K je pravděpodobnější, že darovat vodíkových iontů v chemických reakcích, než jsou s nižšími k několika hodnot.

Redox

Redox ( červená uction- ox idation) reakce zahrnují všechny chemické reakce , ve které atomy mají jejich oxidační stav měnit buď získávají elektrony (redukce) nebo ztrácejí elektrony (oxidace). O látkách, které mají schopnost oxidovat jiné látky, se říká, že jsou oxidační a jsou známé jako oxidační činidla , oxidační činidla nebo oxidační činidla. Oxidant odstraňuje elektrony z jiné látky. Podobně se o látkách, které mají schopnost redukovat jiné látky, říká, že jsou redukční a jsou známé jako redukční činidla , redukční činidla nebo redukční činidla.

Redukční činidlo přenáší elektrony na jinou látku, a tak se samo oxiduje. A protože „daruje“ elektrony, říká se mu také donor elektronů. Oxidace a redukce správně odkazují na změnu oxidačního čísla - ke skutečnému přenosu elektronů nikdy nemůže dojít. Oxidace je tedy lépe definována jako zvýšení oxidačního čísla a redukce jako snížení oxidačního čísla.

Rovnováha

Ačkoli je koncept rovnováhy široce používán napříč vědami, v kontextu chemie vzniká vždy, když je možná řada různých stavů chemického složení, například ve směsi několika chemických sloučenin, které mohou vzájemně reagovat, nebo když může být látka přítomna ve více než jednom druhu fáze.

Systém chemických látek v rovnováze, přestože má neměnné složení, není často statický ; molekuly látek spolu nadále reagují, což vede k dynamické rovnováze . Koncept tedy popisuje stav, ve kterém parametry, jako je chemické složení, zůstávají v průběhu času nezměněny.

Chemické zákony

Chemické reakce se řídí určitými zákony, které se staly základními pojmy v chemii. Někteří z nich jsou:

Dějiny

Historie chemie pokrývá období od velmi starých časů až po současnost. Od několika tisíciletí před naším letopočtem používaly civilizace technologie, které by nakonec tvořily základ různých odvětví chemie. Příklady zahrnují těžbu kovů z rud , výrobu keramiky a glazur, kvašení piva a vína, extrakci chemikálií z rostlin pro medicínu a parfémy, přeměnu tuku na mýdlo , výrobu skla a výrobu slitin jako bronzu . Chemii předcházela její protověda, alchymie , což je intuitivní, ale nevědecký přístup k chápání složek hmoty a jejich interakcí. Vysvětlení podstaty hmoty a jejích transformací bylo neúspěšné, ale prováděním experimentů a zaznamenáváním výsledků alchymisté připravili půdu pro moderní chemii. Chemie jako soubor znalostí odlišných od alchymie se začala objevovat, když mezi nimi Robert Boyle ve svém díle The Skeptical Chymist (1661) jasně rozlišil . Přestože se alchymie i chemie zabývají hmotou a jejími transformacemi, zásadní rozdíl byl dán vědeckou metodou, kterou chemici při své práci používali. Chemie je považována za zavedenou vědu s dílem Antoina Lavoisiera , který vyvinul zákon zachování hmoty, který vyžadoval pečlivé měření a kvantitativní pozorování chemických jevů. Historie chemie se prolíná s historií termodynamiky , zejména prostřednictvím díla Willarda Gibbse .

Definice

Definice chemie se v průběhu času měnila, protože nové objevy a teorie přidávají funkčnost vědy. Termín „chymistry“, podle názoru významného vědce Roberta Boylea v roce 1661, znamenal předmět hmotných principů smíšených těles. V roce 1663 popsal chemik Christopher Glaser „chymistiku“ jako vědecké umění, pomocí kterého se člověk učí rozpouštět těla a čerpat z nich různé látky na jejich složení a jak je znovu spojit a povznést k vyšší dokonalosti.

Definice slova „chemie“ z roku 1730, jak ji použil Georg Ernst Stahl , znamenala umění rozdělit smíšená, složená nebo agregovaná tělesa na jejich principy; a skládání takových těl z těchto zásad. V roce 1837 Jean-Baptiste Dumas považoval slovo „chemie“ za označení vědy zabývající se zákony a účinky molekulárních sil. Tato definice se dále vyvíjela, až v roce 1947 začala znamenat vědu o látkách: jejich struktuře, jejich vlastnostech a reakcích, které je mění na jiné látky - charakteristika přijatá Linusem Paulingem . Nedávno, v roce 1998, profesor Raymond Chang rozšířil definici „chemie“ tak, aby znamenala studium hmoty a změn, kterými prochází.

Disciplína

Demokritovu atomistickou filozofii později přijal Epicurus (341–270 př. N. L.).

Rané civilizace, jako byli Egypťané, Babyloňané a Indové nashromáždili praktické znalosti týkající se umění hutnictví, keramiky a barviv, ale nevyvinuli systematickou teorii.

Základní chemická hypotéza se poprvé objevila v klasickém Řecku s teorií čtyř prvků, jak ji s konečnou platností navrhl Aristoteles o tom, že oheň , vzduch , země a voda jsou základními prvky, z nichž se vše tvoří jako kombinace. Řecký atomismus se datuje do roku 440 př. N. L. A vychází z děl filozofů jako Demokritus a Epikurus . V roce 50 př. N. L. Římský filozof Lucretius tuto teorii rozšířil ve své knize De rerum natura (O povaze věcí). Na rozdíl od moderních konceptů vědy měl řecký atomismus čistě filozofickou povahu, s malým zájmem o empirická pozorování a bez zájmu o chemické experimenty.

Ranou formou myšlenky zachování hmoty je představa, že „ nic nepochází z ničeho “ ve starověké řecké filozofii , kterou lze nalézt v Empedoklovi (přibližně 4. století př. N. L.): „Je totiž nemožné, aby se něco stalo z toho, co není, a nelze o tom ani slyšet, ani slyšet, že to, co je, by mělo být zcela zničeno. “ a Epicurus (3. století př. n. l.), kteří při popisu podstaty vesmíru napsali, že „souhrn věcí byl vždy takový, jaký je nyní, a vždy bude“.

15. století umělecký dojem Jābir ibn Hayyān (Geber), perso-arabský alchymista a průkopník v organické chemii .

V helénistickém světě se nejprve rozmohlo umění alchymie, které mísilo magii a okultismus do studia přírodních látek s konečným cílem přeměny prvků ve zlato a objevení elixíru věčného života. Práce, zejména vývoj destilace , pokračovaly v rané byzantské době, přičemž nejslavnějším praktikem byl řecko-egyptský Zosimos ze 4. století z Panopolis . Alchymie se i nadále vyvíjela a praktikovala v celém arabském světě po muslimských výbojích a odtud a z byzantských zbytků pronikla do středověké a renesanční Evropy prostřednictvím latinských překladů.

Vývoj moderní vědecké metody byl pomalý a namáhavý, ale mezi časnými muslimskými chemiky se začala objevovat raná vědecká metoda pro chemii, počínaje perskoarabským chemikem 9. století Jābir ibn Hayyānem , populárně známým jako „otec chemie“. Arabská díla, která mu byla přisouzena, zavedla systematickou klasifikaci chemických látek a poskytla pokyny pro odvození anorganické sloučeniny ( salmonický nebo chlorid amonný ) z organických látek (jako jsou rostliny, krev a vlasy) chemickými prostředky. Některá arabská díla Jabirian (např. „Kniha milosrdenství“ a „Kniha sedmdesát“) byla později přeložena do latiny pod latinizovaným názvem „Geber“ a v Evropě 13. století anonymní spisovatel, obvykle označovaný jako pseudo -Geber , začal pod tímto názvem produkovat alchymistické a metalurgické spisy. Pozdější vlivní muslimští filozofové, jako Abū al-Rayhān al-Bīrūnī a Avicenna, zpochybňovali teorie alchymie, zejména teorii transmutace kovů .

Pod vlivem nových empirických metod navržených Sirem Francisem Baconem a dalšími začala skupina chemiků z Oxfordu , Roberta Boylea , Roberta Hookea a Johna Mayowa přetvářet staré alchymistické tradice na vědecký obor. Zejména Boyle je považován za zakladatele chemie díky své nejdůležitější práci, klasickému chemickému textu The Skeptical Chymist, kde se rozlišuje mezi tvrzeními o alchymii a empirickými vědeckými objevy nové chemie. Formuloval Boyleův zákon , odmítl klasické „čtyři prvky“ a navrhl mechanistickou alternativu atomů a chemických reakcí, které by mohly podléhat přísným experimentům.

Antoine-Laurent de Lavoisier je považován za „otce moderní chemie“.

Teorii flogistonu (látka v kořeni veškerého spalování) navrhl Němec Georg Ernst Stahl na počátku 18. století a na konci století ho převrátil pouze francouzský chemik Antoine Lavoisier , chemický analog Newtona v r. fyzika; kteří udělali více než kdokoli jiný, aby založili novou vědu na správném teoretickém základě, objasněním principu zachování hmoty a vývojem nového systému chemické nomenklatury, který se používá dodnes.

Před jeho prací však bylo učiněno mnoho důležitých objevů, konkrétně týkajících se povahy „vzduchu“, který byl objeven jako složený z mnoha různých plynů. Skotský chemik Joseph Black (první experimentální chemik) a vlámský Jan Baptist van Helmont objevili v roce 1754 oxid uhličitý , neboli to, čemu Black říkal „pevný vzduch“; Henry Cavendish objevil vodík a objasnil jeho vlastnosti a Joseph Priestley a nezávisle na sobě Carl Wilhelm Scheele izolovali čistý kyslík .

Anglický vědec John Dalton navrhl moderní teorii atomů ; že všechny látky jsou složeny z nedělitelných „atomů“ hmoty a že různé atomy mají různé atomové hmotnosti.

Vývoj elektrochemické teorie chemických kombinací došlo na počátku 19. století jako výsledek práce dvou vědců zejména Jöns Jacob Berzelius a Humphry Davy , možné díky předchozím vynálezem galvanického článku podle Alessandro Volta . Davy objevil devět nových prvků včetně alkalických kovů jejich extrakcí z jejich oxidů elektrickým proudem.

Dmitrij Mendělejev ve své periodické tabulce předpovídal existenci 7 nových prvků a všech 60 v té době známých prvků umístil na správná místa.

Brit William Prout nejprve navrhl uspořádání všech prvků podle jejich atomové hmotnosti, protože všechny atomy měly hmotnost, která byla přesným násobkem atomové hmotnosti vodíku. JAR Newlands vymyslel ranou tabulku prvků, kterou pak v šedesátých letech 19. století vyvinul do moderní periodické tabulky prvků Dmitrij Mendělejev a nezávisle několik dalších vědců včetně Julia Lothara Meyera . Inertní plyny, později nazývané vzácné plyny, objevil William Ramsay ve spolupráci s Lordem Rayleighem na konci století, čímž vyplnil základní strukturu stolu.

Nahoře: Očekávané výsledky: částice alfa procházející modelem atomu atomu nerušeně.
Dole: Pozorované výsledky: malá část částic byla odkloněna, což naznačuje malý koncentrovaný náboj .

Na přelomu dvacátého století byly teoretické základy chemie konečně pochopeny díky sérii pozoruhodných objevů, které dokázaly sondovat a objevit samotnou povahu vnitřní struktury atomů. V roce 1897 objevil elektron JJ Thomson z Cambridgeské univerzity a brzy poté, co francouzský vědec Becquerel a pár Pierre a Marie Curie zkoumali fenomén radioaktivity . V sérii pokusů průkopnické rozptylu Ernest Rutherford na University of Manchester objevili vnitřní strukturu atomu a existenci protonu, klasifikovaný a vysvětleny různé typy radioaktivity a úspěšně přeměnil první prvek tím, že bombarduje dusíku s částicemi alfa .

Jeho práci na atomové struktuře zdokonalili jeho studenti, dánský fyzik Niels Bohr a Henry Moseley . Elektronickou teorii chemických vazeb a molekulárních orbitálů vyvinuli američtí vědci Linus Pauling a Gilbert N. Lewis .

Rok 2011 byl OSN vyhlášen Mezinárodním rokem chemie. Byla to iniciativa Mezinárodní unie pro čistou a aplikovanou chemii a Vzdělávací, vědecké a kulturní organizace OSN a zahrnuje chemické společnosti, akademiky a instituce po celém světě a spoléhala na individuální iniciativy při organizaci místních a regionálních aktivit.

Organickou chemii vytvořil Justus von Liebig a další po syntéze močoviny Friedrichem Wöhlerem, která prokázala, že živé organismy jsou teoreticky redukovatelné na chemii. Dalšími zásadními pokroky 19. století byly; porozumění valenčním vazbám ( Edward Frankland v roce 1852) a aplikaci termodynamiky na chemii ( JW Gibbs a Svante Arrhenius v 70. letech 19. století).

Praxe

Subdisciplíny

Chemie je obvykle rozdělena do několika hlavních dílčích oborů. Existuje také několik hlavních průřezových a specializovanějších oborů chemie.

Ostatní obory v chemii jsou tradičně seskupeny podle typu studované látky nebo druhu studia. Patří sem anorganická chemie , studium anorganických látek; organická chemie , studium organické hmoty (na bázi uhlíku); biochemie , studium látek nacházejících se v biologických organismech ; fyzikální chemie , studium chemických procesů pomocí fyzikálních konceptů, jako je termodynamika a kvantová mechanika ; a analytická chemie , analýza vzorků materiálů za účelem porozumění jejich chemickému složení a struktuře . V posledních letech se objevilo mnoho dalších specializovaných oborů, např. Neurochemie chemické studium nervového systému (viz subdisciplíny ).

Další oblasti zahrnují agrochemie , Astrochemistry (a cosmochemistry ), chemických vlastností atmosféry , chemické inženýrství , chemické biologie , chemo-informatiky , elektrochemie , chemie životního prostředí , femtochemistry , chuť chemie , chemie toku , geochemistry , zelené chemie , Histochemistry , historie chemie , hydrogenační chemie , imunochemie , námořní chemie , věda materiálů , matematické chemie , mechanochemistry , farmaceutická chemie , molekulární biologie , molekulární mechaniky , nanotechnologie , přírodní chemie produkt , enologie , organokovové chemie , petrochemie , farmakologie , fotochemie , fyzikální organické chemie , Phytochemistry , polymer Chemistry , radiochemie , chemie v pevné fázi , sonochemie , supramolekulární chemie , povrchová chemie , syntetická chemie , termochemie a mnoho dalších.

Průmysl

Chemický průmysl představuje důležitou ekonomickou aktivitu ve světě. Tyto globální top 50 chemičtí výrobci v roce 2013 měla tržby ve výši US $ 980,5 miliardy eur s rozpětím zisku ve výši 10,3%.

Profesní společnosti

Viz také

Reference

Bibliografie

Další čtení

Oblíbené čtení
Úvodní vysokoškolské učebnice
Pokročilé vysokoškolácké nebo absolventské učebnice
  • Atkins, PW Physical Chemistry (Oxford University Press) ISBN  0-19-879285-9
  • Atkins, PW a kol. Molekulární kvantová mechanika (Oxford University Press)
  • McWeeny, R. Coulson's Valence (Oxford Science Publications) ISBN  0-19-855144-4
  • Pauling, L. Povaha chemické vazby (Cornell University Press) ISBN  0-8014-0333-2
  • Pauling, L. a Wilson, EB Úvod do kvantové mechaniky s aplikacemi do chemie (Dover Publications) ISBN  0-486-64871-0
  • Smart and Moore Solid State Chemistry: An Introduction (Chapman a Hall) ISBN  0-412-40040-5
  • Stephenson, G. Matematické metody pro studenty přírodních věd (Longman) ISBN  0-582-44416-0

externí odkazy