شیمی (به فرانسوی: Chimie) یکی از دانش‌های بنیادین است که به مطالعه و بررسی ساختار، خواص، ترکیبات، و دگرگونی ماده می‌پردازد. گسترهٔ زیاد این دانش باعث شده است تا تعریف یکپارچه برای آن مشکل گردد.

واژه‌شناسی

واژهٔ شیمی از کیمیا که نام یکی از علوم پنجگانه خفیه در دوران کهن است، اقتباس شده است. در زبان مصری باستان، کیمیا از واژهٔ خامه یا خَمِه به معنای زمینِ سیاه برگرفته شده است. پس از تسلط ایرانیان بر مصر در ۵۲۰ پیش از میلاد، این واژه به صورت کیمیا به شرق آمده است و پس از تسلط یونانیان در۳۳۰ پیش از میلاد به صورت خومِیا (به یونانی: χυμεία) در یونانی نیز وارد گردیده است. در دوران تسلط خلافت اسلامی در خاور میانه، به صورت الکیمیاءدرآمده است و با جنگ‌های صلیبی به صورت الشمی(به انگلیسی: Alchemy) مجدداً است.

تاریخچه

کوشش‌های نخستین بشر برای فهمیدن طبیعت مواد و بیان چگونگی دگرگونی آن‌ها ناموفق بود. اندک اندک کوشش‌ها برای تبدیل مواد کم ارزش، به مواد ارزشمندی چون زر و سیم، منجر به پیدایی دانش کیمیا گردید. هر چند در ظاهر دانش کیمیا به خواست اصلی خود نرسید، اما دستاوردهای کیمیاگران در این راه به اندوخته گرانبهایی تبدیل شد که پایه‌گذار شیمی مدرن گردید.

نظریه اتمی پایه و اساس علم شیمی است. این تئوری بیان می‌دارد که تمام مواد از واحدهای بسیار کوچکی به نام اتم تشکیل شده‌اند. یکی از اصول و قوانینی که در مطرح شدن شیمی به عنوان یک علم تأثیر به‌سزایی داشته، اصل بقای جرم است. این قانون بیان می‌کند که در طول انجام یک واکنش شیمیایی معمولی، مقدار ماده تغییر نمی‌کند. (امروزه فیزیک مدرن ثابت کرده که در واقع این انرژی است که بدون تغییر می‌ماند و همچنین انرژی و جرم با یکدیگر رابطه دارند)

این مطلب به طور ساده به این معنی است که اگر ده‌هزار اتم داشته باشیم و مقدار زیادی واکنش شیمیایی انجام پذیرد، در پایان ما همچنان بطور دقیق ده‌هزار اتم خواهیم داشت. اگر انرژی از دست رفته یا به‌دست‌آمده را مد نظر قرار دهیم، مقدار جرم نیز تغییر نمی‌کند. شیمی کنش و واکنش میان اتم‌ها را به تنهایی یا در بیشتر موارد به‌همراه دیگر اتم‌ها و به‌صورت یون یا مولکول (ترکیب) بررسی می‌کند.

این اتم‌ها اغلب با اتم‌های دیگر واکنش‌هایی را انجام می‌دهند. (برای نمونه زمانی‌که آتش چوب را می‌سوزاند واکنشی است بین اتم‌های اکسیژن موجود در هوا و مواد آلی چوب؛ که نور بر روی مواد شیمیایی فیلم عکاسی ایجاد می‌کند شکل می‌گیرد)

یکی از یافته‌های بنیادین و جالب دانش شیمی این بوده‌است که اتم‌ها روی‌هم‌رفته همیشه به نسبت برابر با یکدیگر ترکیب می‌شوند. سیلیس دارای ساختمانی است که نسبت اتم‌های سیلیسیومبه اکسیژن در آن یک به دو است. امروزه ثابت شده‌است که استثناهایی در زمینهٔ قانون نسبت‌های معین وجود دارد(مواد غیر استوکیومتری).

یکی دیگر از یافته‌های کلیدی شیمی این بود که زمانی که یک واکنش شیمیایی مشخص رخ می‌دهد، مقدار انرژی که بدست می‌آید یا از دست می‌رود همواره یکسان است. این امر ما را به مفاهیم مهمی مانند تعادل، ترمودینامیک و سینتیک شیمیایی می‌رساند.

شیمی فیزیک بر پایهٔ فیزیک پیشرفته (مدرن) بنا شده‌است. اصولاً می‌توان تمام سیستم‌های شیمیایی را با استفاده از تئوری مکانیک کوانتوم شرح داد. این تئوری از لحاظ ریاضی پیچیده بوده و عمیقاًشهودی است. به هر حال در عمل و بطور واقعی تنها بررسی سیستم‌های سادهٔ شیمیایی قابل بررسی با مفاهیم مکانیکی کوانتوم امکان‌پذیر است و در اکثر مواقع باید از تقریب استفاده کرد (مانندتئوری کاری دانسیته). بنابراین درک کامل مکانیک کوانتوم برای تمامی مباحث شیمی کاربرد ندارد؛ زیرا نتایج مهم این تئوری (بخصوص اربیتال اتمی) با استفاده از مفاهیم ساده‌تری قابل درک و به‌کارگیری هستند.

با اینکه در بسیاری موارد ممکن است مکانیک کوانتوم نادیده گرفته شود، اما از مفهوم اساسی آن، یعنی کوانتومی کردن انرژی، نمی‌توان صرف نظر کرد. شیمی‌دان‌ها برای بکارگیری کلیه روش‌هایطیف نمایی به آثار و نتایج کوانتوم وابسته‌اند. علم فیزیک هم ممکن است مورد بی‌توجهی واقع شود، اما به هر حال برآیند نهایی آن (مانند رزونانس مغناطیسی هسته‌ای) پژوهیده و مطالعه می‌شود.

یکی دیگر از تئوری‌های اصلی فیزیک مدرن که نباید نادیده گرفته شود نظریه نسبیت است. این نظریه که از دیدگاه ریاضی پیچیده‌است، شرح کامل فیزیکی علم شیمی است. مفاهیم نسبیتی تنها در برخی از محاسبات خیلی دقیق ساختمان هسته، به‌ویژه در عناصر سنگین‌تر، کاربرد دارند و در عمل تقریباً با شیمی پیوند ندارند.

بخش‌های اصلی دانش شیمی عبارت‌اند از:

• شیمی تجزیه، که به تعیین ترکیبات مواد و اجزای تشکیل دهنده آن‌ها می‌پردازد.
• شیمی آلی، که به مطالعهٔ میلیون‌ها ترکیب شیمیایی دارای اتم‌های عنصر کربن، غیر از ترکیباتی چون دی اکسید کربن، کربن مونوکسید، ترکیبات سیانیدی و کربنات‌ها می‌پردازد.
• شیمی معدنی، که به اکثریت عناصری که در شیمی آلی روی آنها تأکید نشده، و برخی خواص مولکولها می‌پردازد.
• شیمی فیزیک، که پایه و اساس کلیهٔ شاخه‌های دیگر را تشکیل می‌دهد، و شامل ویژگی‌های فیزیکی مواد و ابزار تئوری بررسی آنهاست.

دیگر رشته‌های مطالعاتی و شاخه‌های تخصصی که با شیمی پیوند دارند عبارت‌اند از: علم مواد، مهندسی شیمی، شیمی بسپار، شیمی محیط زیست و داروسازی.

 

فهرست مطالب:

1- ساختار اتم

تاریخچه اتم

نظریه اتمی دالتون

ذرات بنیادی ریزتر از اتم

کشف الکترون

آزمایش تامسون

اشعه کاتدی و الکترونها

نتایج آزمایشات تامسون

مدل اتمی تامسون

آزمایش میلیکان

آزمایشات رادرفورد

اتم رادرفورد

مدل اتمی بور

کشف پروتون

کشف نوترون

ایزوتوپها

رادیواکتیویته

تابش الکترومغناطیسی

نظریه پلانک

و...

2- پیوندهای شیمیایی

انواع پیوندهای شیمیایی

انرژی پیوند

طول پیوند

شعاع کووالانسی

پیوند یونی

انرژی شبکه یونی

شعاع یونی

پیوند کووالانسی

ساختار لوییس

رسم ساختار لوییس

و...

 

3- ساختار هندسی مولکولها

هیبریداسیون

ساختار با سه و چهار جفت الکترون و جفت آزاد

ساختار با پنج جفت الکترون و جفتهای آزاد

ساختارهای با شش جفت الکترون

قطبیت پیوند

ممان دوقطبی

و...

4- حالت گازی

خواص گازها

فشار

قانون بویل

قانون شارل-گیلوساک

معادله گازهای کامل

قانون فشارهای جزیی دالتون

نفوذ و پخش مولکولی

و...

5- مایعات و جامدات

حالت مایع

تبخیر

فشار بخار و دمای جوش

گرمای تبخیر

دمای انجماد

دمای ذوب

فشار بخار جامدات-تصعید

نمودار حالت

و...

6- محلول ها

انواع محلولها

فرآیند انحلال

مایعات قابل و غیرقابل اختلاط

یونهای آبپوشیده

عوامل موثر بر انحلال پذیری

و...

7- ترمودینامیک و تعادل های شیمیایی

مقدمه

قانون اول ترمودینامیک

کار مکانیکی سیستم

آنتالپی

قانون هس-ترموشیمی

آنتروپی و قانون دوم ترمودینامیک

قانون سوم ترمودینامیک

و...

8- سنتیک شیمیایی

قوانین دیفرانسیلی سرعت

واکنشهای درجه یک و دو

مکانیزم واکنش

سرعت واکنش و تعادل

انرژی فعال سازی-اثر دما

کاتالیزورها

و...