多くの意味で、文明の歴史は化学の歴史であり、物質とその性質を研究することである。 人類は常に、環境中の物質を特定し、利用し、変化させようと努めてきました。 初期の陶芸家たちは、自分たちの作品を装飾し保存するために美しい釉薬を見つけていました。 牧畜業者、醸造業者、ワイン醸造業者は、発酵技術を使ってチーズ、ビール、ワインを製造していました。 主婦は木灰から灰汁をとり、石鹸を作りました。 鍛冶屋は銅と錫を組み合わせて青銅を作ることを学びました。
紀元8世紀、イスラム教徒の天文学者、哲学者、科学者であるヤービール・イブン・ハイヤーンは、物質を研究するために科学的手法を用いた最初の一人となった。 ラテン語名のゲーバーとも呼ばれ、”化学の父 “として知られる。 蒸留、晶析、昇華、蒸発の方法を記した22巻の巻物を著したとされる。 彼は、酸を蒸留して研究するための装置であるアレンビックを発明した。 また、研究した物質の性質を利用して、初期の化学分類法を開発した。
- 「蒸留物」-加熱すると蒸発する物質。
- 「金属」-鉄、スズ、銅、鉛など。
- 「非可溶物質」-石など、粉末にできる物質。
今日、私たちは同様の物質を「揮発性の化学物質、金属と非金属」と呼ぶかもしれません。
古典化学
ヨーロッパでは、錬金術師たちが、ありふれた金属を金や銀に変え、寿命を延ばす化学薬品を発明するという目的で、化学を研究していました。
ロバート・ボイル（1627-1691）は気体の挙動を研究し、気体の体積と圧力の間に逆相関があることを発見した。 また、「すべての現実と変化は、素粒子とその運動によって記述できる」と述べ、原子論を早くから理解していた。 1661年には、最初の化学の教科書『懐疑的サイミスト』を著し、物質の研究を錬金術のような神秘的なものから、科学的な調査へと移行させた。 ジョセフ・プリーストリー（1733-1804）は、空気が不可分の元素であるという考えを否定した。 プリーストレイは、空気は気体の集合体であることを示し、酸素を単離し、さらに7つの気体を発見した。 ジャック・シャルルはボイルズの研究を引き継ぎ、気体の温度と圧力が直接関係することを示したことで知られている。 1794年、ジョセフ・プルーストは純粋な化合物を研究し、「定比の法則」を発表した。 例えば、水は常に水素と酸素の比率が2対1です。
アントワーヌ・ラヴォアジエ（1743-1794）は、科学に重要な貢献をしたフランスの化学者であった。 徴税官として働きながら、度量衡を統一するためにメートル法の開発に貢献した。 1768年にフランス科学アカデミーの会員となる。 2年後、28歳の時、同僚の13歳の娘と結婚した。 マリー＝アンヌ・ラヴォアジエは、英語の論文を翻訳したり、実験を説明するために多くの絵を描いたりして、夫の科学的研究を支援したことが知られている
ラヴォアジエの綿密な測定へのこだわりは、質量保存則の発見へとつながっていった。 1787年には「化学命名法」を発表し、現在も使われている化合物の命名規則が記載されている。 また、1789年に発表した「化学初歩論」は、近代化学の最初の教科書となった。 化学元素とは、化学反応によって重量を減らすことができない物質であると明確に定義し、酸素、鉄、炭素、硫黄など、当時知られていた30近くの元素を列挙した。
Amedeo Avogadro（1776-1856）はイタリアの弁護士で、1800年に科学と数学の研究を始めた。 ボイルやシャルルの研究を発展させ、原子と分子の違いを明らかにした。 そして、同じ温度、同じ圧力の気体には同じ数の分子が存在することを述べた。 分子量1グラム（1モル）の純物質中に含まれる分子の数は、彼にちなんでアボガドロ定数と呼ばれる。 実験的に6.023×1023分子と決定されており、化学反応における反応物や生成物の質量を決定するのに用いられる重要な換算係数である。
1803年、イギリスの気象学者が水蒸気の現象について推測し始めた。 ジョン・ダルトン（1766-1844）は、水蒸気が大気の一部であることは知っていたが、実験により、他のある種の気体では水蒸気が発生しないことがわかった。 しかし、ダルトン（1766〜1844）は、ある気体の中では水蒸気が発生しないことを実験的に突き止めた。 水蒸気の粒子が入り込む余地が、その気体にはなかったのだろう。 重い」気体の方が粒子が多いか、粒子が大きいかのどちらかである。 水素（最も軽く、質量は1）、酸素、窒素、炭素、硫黄、リンの6つの元素について、自分のデータと「定比例の法則」を使って粒子の相対質量を決定した。
- 元素は原子と呼ばれる非常に小さな粒子で構成されている。
- 同じ元素の原子は大きさや質量、その他の性質が同じである。
- 異なる元素の原子は異なる特性を持つ。
- 異なる元素の原子は、単純な整数比で結合して化学物質を形成する。
- 化学反応において原子は結合、分離、再配置されて新しい化合物を形成する。 彼は、63の既知の元素とその性質をカードに記載した。 元素を原子量の多い順に並べると、似たような性質を持つ元素をグループ化することができた。 例外を除いて、7番目の元素はすべて似たような性質を持っていた（8番目の化学グループである希ガスはまだ発見されていなかった）。 メンデレーエフは、このパターンに当てはまる元素がない場所を空白にしておくと、さらに正確になることに気がついた。 そして、その空白を利用して、まだ発見されていない元素の性質を予測することができたのである。 メンデレーエフのオリジナルの表は、92の天然に存在する元素と26の合成元素を含むように更新されています。
原子の記述
1896年に、アンリ・ベクレルが放射線を発見しました。 ピエール＆マリー・キュリーとともに、ある種の元素が一定の割合でエネルギーを放出することを示しました。 1903年、ベクレルはキュリー夫妻とともに、放射能の発見でノーベル賞を受賞しました。 1900年、マックス・プランクは、エネルギーは連続した波ではなく、「量子」と呼ばれる個別の単位で放出されなければならないことを発見した（その後、光子と命名）。 1911年、アーネスト・ラザフォードは、原子が、正電荷を帯びた小さな高密度領域と、それを取り巻く比較的広い空白の領域から構成されており、その中をさらに小さな負電荷の粒子（電子）が移動していることを明らかにした。 ラザフォードは、惑星が太陽の周りを回るように、電子も原子核の周りをきちんとした軌道で回っていると仮定した。 しかし、原子核は電子よりも大きく密度が高いため、なぜ電子が原子核に引き込まれ、原子が破壊されないのかを説明することができなかった
1922年のニールス・ボーア。 (Image credit: AB Lagrelius & Westphal, via American Institute of Physics) Niels Bohr (1885-1962) の原子モデルは、プランクの情報を利用することによってこの問題を解決したのです。 電気的に刺激された原子からは、ある周波数でのみ光子が放出される。 彼は、電子にはそれぞれ異なるエネルギー準位があり、電気的に「励起」された電子がエネルギー準位を変えざるを得ない場合にのみ光が放出されると仮定した
核に最も近い第一エネルギー準位の電子は、核に強く結合しており、比較的低いエネルギーを持っている。 原子核からより遠い準位では、電子のエネルギーは増大する。 原子核から最も遠いエネルギー準位にある電子は、それほど強く結合しておらず、原子が結合して化合物を形成する際に関与する電子である。 元素の性質が周期的であるのは、化学結合に関与できる外側のエネルギー準位の電子の数の結果である。 ボーア模型はより正確な原子模型に取って代わられたが、基本的な原理は健全であり、ボーア模型は今でも化学結合を示す簡略図として使われている。
原子に対する理解は、その後も洗練され続けている。 1935年、ジェームズ・チャドウィックは、原子の原子核には電気的に中性な粒子が同数存在するという発見でノーベル賞を受賞した。 中性子は電気的に中性なので、電子にも陽子にも偏向されない。 さらに、中性子は陽子よりも質量が大きい。 これらのことから、中性子は原子を貫いて原子核を破壊し、膨大なエネルギーを放出することが可能なのです。 近年、古典化学の陽子、中性子、電子が、さらに小さな素粒子で構成されていることが明らかになってきた。 化学と物理の科学はますます絡み合い、理論が重なり合い、対立しながら、私たちの宇宙が作られている物質を探り続けています。
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