Na wiele sposobów, historia cywilizacji jest historią chemii – badania materii i jej właściwości. Ludzie zawsze dążyli do identyfikacji, wykorzystania i zmiany materiałów w naszym otoczeniu. Wcześni garncarze znajdowali piękne glazury do dekoracji i konserwacji swoich wyrobów. Pasterze, browarnicy i winiarze stosowali techniki fermentacji do produkcji sera, piwa i wina. Gospodynie domowe wyługowywały ług z popiołu drzewnego, aby zrobić mydło. Kowale uczyli się łączyć miedź i cynę, by wytwarzać brąz. Rzemieślnicy nauczyli się robić szkło; kaletnicy garbowali skóry.
W VIII wieku n.e., Jābir ibn Hayyān, muzułmański astronom, filozof i naukowiec, stał się jednym z pierwszych, którzy wykorzystali metody naukowe do badania materiałów. Znany również pod swoim zlatynizowanym imieniem Geber, jest znany jako „ojciec chemii”. Uważa się, że jest autorem 22 zwojów opisujących metody destylacji, krystalizacji, sublimacji i parowania. Wynalazł alembik, urządzenie używane do destylacji i badania kwasów. Opracował również wczesny system klasyfikacji chemicznej, wykorzystując właściwości materiałów, które badał. Jego kategorie były następujące:
- „Spirytus” – materiały, które parują po podgrzaniu.
- „Metale” – w tym żelazo, cyna, miedź i ołów.
- Substancje nietopliwe – materiały, które można sproszkować, takie jak kamień.
Dzisiaj podobne materiały moglibyśmy nazwać „lotnymi substancjami chemicznymi, metalami i niemetalami.”
Chemia klasyczna
W Europie naukę chemii prowadzili alchemicy, których celem było przekształcenie zwykłych metali w złoto lub srebro i wynalezienie chemicznego eliksiru, który przedłużyłby życie. Chociaż cele te nigdy nie zostały osiągnięte, dokonano kilku ważnych odkryć.
Robert Boyle(1627-1691) badał zachowanie gazów i odkrył odwrotną zależność między objętością a ciśnieniem gazu. Stwierdził również, że „cała rzeczywistość i zmiana może być opisana w kategoriach cząstek elementarnych i ich ruchu”, co było wczesnym zrozumieniem teorii atomistycznej. W 1661 roku napisał pierwszy podręcznik chemii, „The Sceptical Cymist”, który odsuwał badanie substancji od mistycznych skojarzeń z alchemią w kierunku badań naukowych.
Do 1700 roku wiek oświecenia zakorzenił się w całej Europie. Joseph Priestley (1733-1804) obalił pogląd, że powietrze jest niepodzielnym elementem. Wykazał, że zamiast tego jest ono kombinacją gazów, kiedy wyizolował tlen i odkrył siedem innych gazów dyskretnych. Jacques Charles kontynuował pracę Boylesa i jest znany z podania bezpośredniej zależności między temperaturą a ciśnieniem gazów. W 1794 r. Joseph Proust badał czyste związki chemiczne i stwierdził, że prawo określonych proporcji – związek chemiczny zawsze będzie miał swój charakterystyczny stosunek składników elementarnych. Na przykład woda zawsze ma stosunek wodoru do tlenu wynoszący dwa do jednego.
Antoine Lavoisier (1743-1794) był francuskim chemikiem, który wniósł istotny wkład do nauki. Pracując jako poborca podatkowy, Lavoisier pomógł opracować system metryczny w celu zapewnienia jednolitych wag i miar. W 1768 r. został przyjęty do Francuskiej Akademii Nauk. Dwa lata później, w wieku 28 lat, poślubił 13-letnią córkę swojego kolegi. Wiadomo, że Marie-Anne Lavoisier pomagała mężowi w jego badaniach naukowych, tłumacząc angielskie prace i wykonując liczne rysunki ilustrujące jego eksperymenty.
Nacisk Lavoisiera na skrupulatne pomiary doprowadził do odkrycia przez niego prawa zachowania masy. W 1787 r. Lavoisier opublikował „Metody nomenklatury chemicznej”, w których zawarł zasady nazywania związków chemicznych, stosowane do dziś. Jego „Elementary Treatise of Chemistry” (1789) był pierwszym nowoczesnym podręcznikiem chemii. Jasno zdefiniował on pierwiastek chemiczny jako substancję, której masy nie można zredukować w wyniku reakcji chemicznej i wymienił tlen, żelazo, węgiel, siarkę i prawie 30 innych znanych wówczas pierwiastków. Książka miała jednak kilka błędów; wymieniała światło i ciepło jako pierwiastki.
Amedeo Avogadro (1776-1856) był włoskim prawnikiem, który zaczął studiować naukę i matematykę w 1800 roku. Rozszerzając pracę Boyle’a i Charlesa, wyjaśnił różnicę między atomami i cząsteczkami. Stwierdził, że jednakowe objętości gazu w tej samej temperaturze i pod tym samym ciśnieniem mają taką samą liczbę cząsteczek. Liczba cząsteczek w próbce czystej substancji o masie cząsteczkowej 1 grama (1 mol) została nazwana na jego cześć stałą Avogadro. Doświadczalnie ustalono, że wynosi ona 6,023 x 1023 molekuł i jest ważnym współczynnikiem przeliczeniowym używanym do określania masy reagentów i produktów w reakcjach chemicznych.
W 1803 roku angielski meteorolog zaczął spekulować na temat zjawiska pary wodnej. John Dalton (1766-1844) był świadomy, że para wodna jest częścią atmosfery, ale eksperymenty wykazały, że para wodna nie tworzy się w niektórych innych gazach. Spekulował, że ma to coś wspólnego z liczbą cząsteczek obecnych w tych gazach. Być może w tych gazach nie było miejsca na przenikanie cząsteczek pary wodnej. Albo w „cięższych” gazach było więcej cząsteczek, albo te cząsteczki były większe. Korzystając z własnych danych i prawa stałych proporcji, Dalton określił względne masy cząsteczek sześciu znanych pierwiastków: wodoru (najlżejszego, któremu przypisano masę 1), tlenu, azotu, węgla, siarki i fosforu. Dalton wyjaśnił swoje odkrycia, podając zasady pierwszej atomistycznej teorii materii.
- Pierwiastki składają się z niezwykle małych cząstek zwanych atomami.
- Atomy tego samego pierwiastka są identyczne pod względem wielkości, masy i innych właściwości. Atomy różnych pierwiastków mają różne właściwości.
- Atomy nie mogą być tworzone, dzielone lub niszczone.
- Atomy różnych pierwiastków łączą się w prostych stosunkach liczb całkowitych, tworząc związki chemiczne.
- W reakcjach chemicznych atomy są łączone, rozdzielane lub rearanżowane, tworząc nowe związki.
Dymitr Mendelejew (1834-1907) był rosyjskim chemikiem znanym z opracowania pierwszego układu okresowego pierwiastków. Wymienił on 63 znane pierwiastki i ich właściwości na kartach. Gdy ułożył pierwiastki w kolejności rosnącej masy atomowej, mógł pogrupować pierwiastki o podobnych właściwościach. Poza kilkoma wyjątkami, co siódmy pierwiastek miał podobne właściwości (ósma grupa chemiczna – gazy szlachetne – nie została jeszcze odkryta). Mendelejew zdał sobie sprawę, że jeśli pozostawi wolne miejsca w tabeli w miejscach, gdzie żaden znany pierwiastek nie pasował do wzoru, będzie on jeszcze dokładniejszy. Wykorzystując puste miejsca w swojej tabeli, był w stanie przewidzieć właściwości pierwiastków, które nie zostały jeszcze odkryte. Oryginalna tabela Mendelejewa została zaktualizowana, aby uwzględnić 92 naturalnie występujące pierwiastki i 26 pierwiastków zsyntetyzowanych.
Opis atomu
W 1896 roku Henri Becquerel odkrył promieniowanie. Wraz z Pierre’em i Marią Curie wykazał, że niektóre pierwiastki emitują energię w ustalonym tempie. W 1903 r. Becquerel otrzymał wraz z Curie Nagrodę Nobla za odkrycie radioaktywności. W 1900 r. Max Planck odkrył, że energia musi być emitowana w dyskretnych jednostkach, które nazwał „kwantami” (od tej pory nazwanymi fotonami), a nie w ciągłych falach. Okazało się, że atomy składają się z jeszcze mniejszych cząstek, z których niektóre mogą się oddalać.
W 1911 roku Ernst Rutherford wykazał, że atomy składają się z maleńkiego, gęstego, dodatnio naładowanego obszaru otoczonego stosunkowo dużymi obszarami pustej przestrzeni, w której poruszają się jeszcze mniejsze, ujemnie naładowane cząstki (elektrony). Rutherford założył, że elektrony krążą wokół jądra po oddzielnych, czystych orbitach, podobnie jak planety krążą wokół Słońca. Ponieważ jednak jądro jest większe i gęstsze niż elektrony, nie mógł wyjaśnić, dlaczego elektrony nie zostały po prostu wciągnięte do jądra, niszcząc w ten sposób atom.
Niels Bohr’s (1885-1962) atomic model solved this problem by using Planck’s information. Fotony są emitowane z elektrycznie stymulowanego atomu tylko przy pewnych częstotliwościach. Postawił on hipotezę, że elektrony zamieszkują różne poziomy energetyczne i światło jest emitowane tylko wtedy, gdy elektrycznie „wzbudzony” elektron jest zmuszony do zmiany poziomu energetycznego.
Elektrony na pierwszym poziomie energetycznym, najbliżej jądra, są ściśle związane z jądrem i mają stosunkowo niską energię. W poziomach bardziej oddalonych od jądra elektrony mają coraz większą energię. Elektrony na poziomie energetycznym najbardziej oddalonym od jądra nie są związane tak mocno i są to elektrony zaangażowane, gdy atomy łączą się ze sobą tworząc związki. Okresowy charakter właściwości pierwiastków wynika z liczby elektronów na zewnętrznych poziomach energetycznych, które mogą być zaangażowane w wiązania chemiczne. Chociaż modele Bohra zostały zastąpione przez dokładniejsze modele atomu, podstawowe zasady są solidne i modele Bohra są nadal używane jako uproszczone diagramy do pokazania wiązań chemicznych.
Nasze zrozumienie atomu było nadal udoskonalane. W 1935 roku James Chadwick otrzymał Nagrodę Nobla za odkrycie, że w jądrze atomu znajduje się jednakowa liczba elektrycznie neutralnych cząstek. Ponieważ neutrony są elektrycznie obojętne, nie są odchylane ani przez elektrony, ani przez protony. Co więcej, neutrony mają większą masę niż protony. Te fakty sprawiają, że neutrony mogą przenikać przez atomy i rozbijać jądra, uwalniając ogromne ilości energii. W ostatnich latach staje się coraz bardziej oczywiste, że protony, neutrony i elektrony klasycznej chemii składają się z jeszcze mniejszych cząstek subatomowych. Nauki chemii i fizyki coraz bardziej się splatają, a teorie nakładają się na siebie i wchodzą ze sobą w konflikt, ponieważ nadal badamy materiały, z których zbudowany jest nasz wszechświat.
Dawne wiadomości
.