A civilizáció története sok szempontból a kémia története – az anyag és tulajdonságainak tanulmányozása. Az emberek mindig is igyekeztek azonosítani, felhasználni és megváltoztatni a környezetükben található anyagokat. A korai fazekasok gyönyörű mázakat találtak termékeik díszítésére és tartósítására. A pásztorok, sörfőzők és borászok erjesztési technikákat alkalmaztak sajt, sör és bor készítéséhez. A háziasszonyok a fahamu lúgját lúgosították, hogy szappant készítsenek belőle. A kovácsok megtanulták a réz és az ón kombinációját, hogy bronzot készítsenek. A kézművesek megtanultak üveget készíteni; a bőrművesek bőröket cserzettek.
A Kr. u. nyolcadik században Jābir ibn Hayyān muszlim csillagász, filozófus és tudós az elsők között alkalmazta a tudományos módszereket az anyagok tanulmányozására. Latinosított nevén, Geberként is ismert, a “kémia atyjaként” emlegetik. Úgy tartják, hogy 22 olyan tekercs szerzője, amelyben leírja a desztilláció, a kristályosítás, a szublimáció és a párolgás módszereit. Ő találta fel az alembikát, a savak lepárlására és tanulmányozására használt eszközt. Egy korai kémiai osztályozási rendszert is kidolgozott az általa vizsgált anyagok tulajdonságainak felhasználásával. Kategóriái a következők voltak:
- “Szeszek” – olyan anyagok, amelyek melegítés hatására elpárolognak.
- “Fémek” – többek között vas, ón, réz és ólom.
- Nem alakítható anyagok – olyan anyagok, amelyek porrá alakíthatók, mint például a kő.
Most hasonló anyagokat nevezhetnénk “illékony vegyi anyagoknak, fémeknek és nem fémeknek.”
Klasszikus kémia
Európában a kémia tanulmányozásával az alkimisták foglalkoztak, akiknek célja a közönséges fémek arannyá vagy ezüstté alakítása és az életet meghosszabbító kémiai elixír feltalálása volt. Bár ezeket a célokat soha nem sikerült elérni, a kísérlet során néhány fontos felfedezést tettek.
Robert Boyle(1627-1691) a gázok viselkedését tanulmányozta, és felfedezte a gáz térfogata és nyomása közötti fordított összefüggést. Azt is megállapította, hogy “minden valóság és változás leírható elemi részecskékkel és azok mozgásával”, ami az atomelmélet korai felfogása. 1661-ben megírta az első kémiai tankönyvet, “A szkeptikus cymist” címűt, amely az anyagok tanulmányozását az alkímiával kapcsolatos misztikus asszociációktól a tudományos vizsgálat felé mozdította el.
Az 1700-as évekre a felvilágosodás kora egész Európában gyökeret vert. Joseph Priestley (1733-1804) megcáfolta azt az elképzelést, hogy a levegő oszthatatlan elem. Kimutatta, hogy ehelyett gázok kombinációjáról van szó, amikor izolálta az oxigént, majd felfedezett hét másik diszkrét gázt. Jacques Charles folytatta Boyles munkáját, és arról ismert, hogy megállapította a gázok hőmérséklete és nyomása közötti közvetlen kapcsolatot. 1794-ben Joseph Proust tiszta kémiai vegyületeket tanulmányozott, és megállapította a határozott arányok törvényét – egy kémiai vegyületnek mindig megvan a maga jellegzetes aránya az elemi összetevők között. A vízben például a hidrogén és az oxigén aránya mindig kettő az egyhez.”
Antoine Lavoisier (1743-1794) francia kémikus volt, aki jelentősen hozzájárult a tudományhoz. Lavoisier adószedőként dolgozva segített kidolgozni a metrikus rendszert az egységes súlyok és mértékek biztosítása érdekében. 1768-ban felvették a Francia Tudományos Akadémia tagjai közé. Két évvel később, 28 évesen feleségül vette egy kollégája 13 éves lányát. Marie-Anne Lavoisier-ről ismert, hogy segítette férjét tudományos tanulmányaiban azzal, hogy angol nyelvű dolgozatokat fordított, és számos rajzot készített kísérleteinek illusztrálására.
Lavoisier ragaszkodása az aprólékos méréshez vezetett a tömegmegmaradás törvényének felfedezéséhez. 1787-ben Lavoisier kiadta “A kémiai nómenklatúra módszerei” című művét, amely a kémiai vegyületek elnevezésének ma is használatos szabályait tartalmazta. A “Kémia elemi értekezése” (1789) volt az első modern kémiai tankönyv. Egyértelműen definiálta a kémiai elemet, mint olyan anyagot, amelynek súlya kémiai reakcióval nem csökkenthető, és felsorolta az oxigént, a vasat, a szenet, a ként és közel 30 másik, akkoriban ismert elemet. A könyvnek azonban volt néhány hibája; a fényt és a hőt elemként sorolta fel.
Amedeo Avogadro (1776-1856) olasz ügyvéd volt, aki 1800-ban kezdett természettudományos és matematikai tanulmányokba. Boyle és Charles munkásságát kibővítve tisztázta az atomok és a molekulák közötti különbséget. Kijelentette, hogy azonos hőmérsékleten és nyomáson azonos mennyiségű gáznak ugyanannyi molekulája van. A tiszta anyag 1 gramm molekulatömegű (1 mól) mintájában lévő molekulák számát az ő tiszteletére Avogadro-állandónak nevezik. Kísérletileg megállapított értéke 6,023 x 1023 molekula, és fontos átváltási tényező, amelyet a kémiai reakciókban a reaktánsok és a termékek tömegének meghatározására használnak.
1803-ban egy angol meteorológus elkezdett elmélkedni a vízgőz jelenségéről. John Dalton (1766-1844) tisztában volt azzal, hogy a vízgőz a légkör része, de kísérletei azt mutatták, hogy bizonyos más gázokban nem képződik vízgőz. Úgy vélte, hogy ennek valami köze van az ezekben a gázokban jelen lévő részecskék számához. Talán ezekben a gázokban nem volt hely a vízgőz részecskék számára, hogy behatoljanak. Vagy több részecske volt a “nehezebb” gázokban, vagy ezek a részecskék nagyobbak voltak. Saját adatait és a határozott arányok törvényét felhasználva meghatározta a részecskék relatív tömegét az ismert elemek közül hat esetében: hidrogén (a legkönnyebb, és 1 tömegű), oxigén, nitrogén, szén, kén és foszfor. Dalton megállapításait az anyag első atomelméletének elveivel magyarázta:
- Az elemek rendkívül apró részecskékből, úgynevezett atomokból állnak.
- Az azonos elem atomjai méretben, tömegben és egyéb tulajdonságaikban azonosak. A különböző elemek atomjai különböző tulajdonságokkal rendelkeznek.
- Az atomokat nem lehet létrehozni, felosztani vagy megsemmisíteni.
- A különböző elemek atomjai egyszerű egész számarányokban egyesülnek, hogy kémiai vegyületeket alkossanak.
- A kémiai reakciókban az atomok egyesülnek, szétválnak vagy átrendeződnek, hogy új vegyületeket alkossanak.
Dmitrij Mendelejev (1834-1907) orosz kémikus volt, aki az elemek első periódusos rendszerének kidolgozásáról ismert. A 63 ismert elemet és tulajdonságaikat kártyákon sorolta fel. Amikor az elemeket növekvő atomtömeg szerinti sorrendbe rendezte, a hasonló tulajdonságú elemeket csoportosítani tudta. Néhány kivételtől eltekintve minden hetedik elem hasonló tulajdonságokkal rendelkezett (A nyolcadik kémiai csoportot – a nemesgázokat – még nem fedezték fel). Mendelejev rájött, hogy ha helyet hagy azoknak a helyeknek, ahol egyetlen ismert elem sem illeszkedik a sémába, akkor az még pontosabb lesz. A táblázatában lévő üres helyeket felhasználva meg tudta jósolni a még felfedezésre váró elemek tulajdonságait. Mendelejev eredeti táblázatát frissítették, hogy tartalmazza a 92 természetesen előforduló elemet és 26 szintetizált elemet.
Az atom leírása
1896-ban Henri Becquerel felfedezte a sugárzást. Pierre és Marie Curie-vel együtt kimutatta, hogy bizonyos elemek meghatározott sebességgel bocsátanak ki energiát. Becquerel 1903-ban Curie-ékkel közösen kapott Nobel-díjat a radioaktivitás felfedezéséért. 1900-ban Max Planck felfedezte, hogy az energiát nem folyamatos hullámokban, hanem diszkrét egységekben kell kibocsátani, amelyeket ő “kvantumoknak” (azóta fotonoknak nevezett) nevezett el. Úgy tűnt, hogy az atomok még kisebb részecskékből állnak, amelyek közül néhány el tud mozogni.
1911-ben Ernst Rutherford kimutatta, hogy az atomok egy apró, sűrű, pozitív töltésű régióból állnak, amelyet viszonylag nagy üres tér vesz körül, amelyben még kisebb, negatív töltésű részecskék (elektronok) mozognak. Rutherford feltételezte, hogy az elektronok különálló, rendezett pályákon keringenek az atommag körül, ahogyan a bolygók keringenek a Nap körül. Mivel azonban az atommag nagyobb és sűrűbb, mint az elektronok, nem tudta megmagyarázni, hogy az elektronok miért nem húzódnak be egyszerűen az atommagba, így megsemmisítve az atomot.”
Niels Bohr (1885-1962) atommodellje a Planck-féle információ felhasználásával oldotta meg ezt a problémát. Egy elektromosan gerjesztett atomból csak bizonyos frekvenciákon bocsátódnak ki fotonok. Feltételezte, hogy az elektronok különböző energiaszinteken tartózkodnak, és fényt csak akkor bocsátanak ki, ha egy elektromosan “gerjesztett” elektron energiaszintváltásra kényszerül.
A maghoz legközelebbi, első energiaszinten lévő elektronok szorosan kötődnek az atommaghoz, és viszonylag alacsony energiával rendelkeznek. Az atommagtól távolabbi szinteken az elektronok energiája növekszik. Az atommagtól legtávolabbi energiaszinten lévő elektronok nem kötődnek olyan szorosan, és ezek az elektronok vesznek részt az atomok vegyületek kialakulásában. Az elemek tulajdonságainak periodikus jellege a külső energiaszinten lévő, kémiai kötésekben részt vehető elektronok számából adódik. Bár a Bohr-modelleket felváltották a pontosabb atommodellek, az alapelvek szilárdak, és a Bohr-modelleket még mindig használják egyszerűsített ábrákként a kémiai kötések bemutatására.
Az atomról alkotott ismereteink folyamatosan finomodtak. 1935-ben James Chadwick Nobel-díjat kapott felfedezéséért, miszerint az atommagban egyenlő számú elektromosan semleges részecske van. Mivel a neutronok elektromosan semlegesek, sem az elektronok, sem a protonok nem térítik el őket. Ráadásul a neutronoknak nagyobb a tömegük, mint a protonoknak. Ezek a tények együttesen lehetővé teszik, hogy a neutronok behatoljanak az atomokba, és szétszakítsák az atommagot, hatalmas mennyiségű energiát szabadítva fel. Az utóbbi években egyre nyilvánvalóbbá vált, hogy a klasszikus kémia protonjai, neutronjai és elektronjai még kisebb szubatomi részecskékből állnak. A kémia és a fizika tudományai egyre inkább összefonódnak, és az elméletek átfedik és ütköznek, miközben tovább kutatjuk azokat az anyagokat, amelyekből világegyetemünk épül fel.
Újabb hírek