În multe privințe, istoria civilizației este istoria chimiei – studiul materiei și al proprietăților sale. Oamenii au căutat întotdeauna să identifice, să folosească și să modifice materialele din mediul nostru înconjurător. Primii olari au găsit glazuri frumoase pentru a-și decora și păstra obiectele. Păstorii, berarii și vinificatorii au folosit tehnici de fermentare pentru a face brânză, bere și vin. Gospodinele au lichefiat leșia din cenușa de lemn pentru a face săpun. Fierarii au învățat să combine cuprul și staniul pentru a face bronz. Meșteșugarii au învățat să facă sticlă; pielarii au tăbăcit piei.
În secolul al VIII-lea d.Hr., Jābir ibn Hayyān, un astronom, filozof și om de știință musulman, a devenit unul dintre primii care a folosit metode științifice pentru a studia materialele. Cunoscut și sub numele său latinizat, Geber, el este cunoscut ca „părintele chimiei”. Se crede că el este autorul a 22 de pergamente care descriu metode de distilare, cristalizare, sublimare și evaporare. A inventat alambicul, un dispozitiv folosit pentru a distila și a studia acizii. De asemenea, a dezvoltat un prim sistem de clasificare chimică folosind proprietățile materialelor pe care le studia. Categoriile sale au fost:
- „Spiritele” – materiale care se vaporizează atunci când sunt încălzite.
- „Metalele” – inclusiv fierul, staniul, cuprul și plumbul.
- Substanțe nemaleabile – materiale care pot fi transformate în pulbere, cum ar fi piatra.
Astăzi am putea numi materiale similare „substanțe chimice volatile, metale și nemetale.”
Chimia clasică
În Europa, studiul chimiei a fost realizat de alchimiști cu scopul de a transforma metalele comune în aur sau argint și de a inventa un elixir chimic care să prelungească viața. Deși aceste obiective nu au fost niciodată atinse, au existat câteva descoperiri importante făcute în această încercare.
Robert Boyle(1627-1691) a studiat comportamentul gazelor și a descoperit relația inversă dintre volumul și presiunea unui gaz. De asemenea, el a afirmat că „toată realitatea și schimbarea pot fi descrise în termeni de particule elementare și mișcarea lor”, o înțelegere timpurie a teoriei atomice. În 1661, a scris primul manual de chimie, „The Sceptical Cymist”, care a îndepărtat studiul substanțelor de asocierile mistice cu alchimia și l-a îndreptat spre investigația științifică.
Până în anii 1700, Secolul Luminilor a prins rădăcini în toată Europa. Joseph Priestley (1733-1804) a infirmat ideea că aerul era un element indivizibil. El a demonstrat că acesta era, în schimb, o combinație de gaze atunci când a izolat oxigenul și a continuat să descopere alte șapte gaze discrete. Jacques Charlescontinuă munca lui Boyles și este cunoscut pentru că a afirmat relația directă dintre temperatura și presiunea gazelor. În 1794, Joseph Proust a studiat compușii chimici puri și a enunțat Legea proporțiilor definite – un compus chimic va avea întotdeauna propriul său raport caracteristic de componente elementare. Apa, de exemplu, are întotdeauna un raport de doi la unu între hidrogen și oxigen.
Antoine Lavoisier (1743-1794) a fost un chimist francez care a adus contribuții importante la această știință. În timp ce lucra ca perceptor de taxe, Lavoisier a ajutat la dezvoltarea sistemului metric pentru a asigura greutăți și măsuri uniforme. A fost admis în Academia Franceză de Științe în 1768. Doi ani mai târziu, la vârsta de 28 de ani, s-a căsătorit cu fiica de 13 ani a unui coleg. Se știe că Marie-Anne Lavoisier și-a ajutat soțul în studiile sale științifice, traducând lucrări în limba engleză și făcând numeroase desene pentru a-i ilustra experimentele.
Insistența lui Lavoisier asupra măsurătorilor meticuloase a dus la descoperirea Legii conservării masei. În 1787, Lavoisier a publicat „Metode de nomenclatură chimică”, care includea regulile de denumire a compușilor chimici care sunt folosite și astăzi. „Tratatul elementar de chimie” (1789) a fost primul manual de chimie modernă. Acesta a definit în mod clar un element chimic ca fiind o substanță care nu poate fi redusă în greutate printr-o reacție chimică și a enumerat oxigenul, fierul, carbonul, sulful și aproape 30 de alte elemente cunoscute la acea vreme. Cartea a avut totuși câteva erori; a enumerat lumina și căldura ca elemente.
Amedeo Avogadro (1776-1856) a fost un avocat italian care a început să studieze știința și matematica în 1800. Dezvoltând lucrările lui Boyle și Charles, el a clarificat diferența dintre atomi și molecule. El a continuat să afirme că volume egale de gaz la aceeași temperatură și presiune au același număr de molecule. Numărul de molecule dintr-un eșantion de 1 gram de greutate moleculară (1 mol) dintr-o substanță pură se numește constanta lui Avogadro în onoarea sa. S-a determinat experimental că este de 6,023 x 1023 molecule și este un factor de conversie important folosit pentru a determina masa reactanților și a produselor în reacțiile chimice.
În 1803, un meteorolog englez a început să speculeze asupra fenomenului de vapori de apă. John Dalton (1766-1844) era conștient de faptul că vaporii de apă fac parte din atmosferă, dar experimentele au arătat că vaporii de apă nu s-ar forma în anumite alte gaze. El a speculat că acest lucru are legătură cu numărul de particule prezente în acele gaze. Poate că în acele gaze nu exista spațiu pentru ca particulele de vapori de apă să pătrundă. Fie existau mai multe particule în gazele „mai grele”, fie aceste particule erau mai mari. Folosind propriile date și Legea proporțiilor definite, a determinat masele relative ale particulelor pentru șase dintre elementele cunoscute: hidrogen (cel mai ușor și căruia i s-a atribuit o masă de 1), oxigen, azot, carbon, sulf și fosfor. Dalton și-a explicat descoperirile enunțând principiile primei teorii atomice a materiei:
- Elementele sunt compuse din particule extrem de mici numite atomi.
- Atomii aceluiași element sunt identici în ceea ce privește mărimea, masa și alte proprietăți. Atomii unor elemente diferite au proprietăți diferite.
- Atomii nu pot fi creați, subdivizați sau distruși.
- Atomii unor elemente diferite se combină în raporturi simple de numere întregi pentru a forma compuși chimici.
- În reacțiile chimice, atomii sunt combinați, separați sau rearanjați pentru a forma noi compuși.
Dmitri Mendeleev (1834-1907) a fost un chimist rus cunoscut pentru elaborarea primului Tabel Periodic al Elementelor. El a enumerat cele 63 de elemente cunoscute și proprietățile lor pe carduri. Când a aranjat elementele în ordinea creșterii masei atomice, a putut grupa elementele cu proprietăți similare. Cu câteva excepții, fiecare al șaptelea element avea proprietăți similare (cel de-al optulea grup chimic – gazele nobile – nu fusese încă descoperit). Mendeleev și-a dat seama că, dacă lăsa spații pentru locurile în care niciun element cunoscut nu se încadra în model, acesta era și mai exact. Folosind spațiile goale din tabelul său, a reușit să prezică proprietățile elementelor care nu fuseseră încă descoperite. Tabelul original al lui Mendeleev a fost actualizat pentru a include cele 92 de elemente care apar în mod natural și 26 de elemente sintetizate.
Descrierea atomului
În 1896, Henri Becquerel a descoperit radiația. Împreună cu Pierre și Marie Curie, el a demonstrat că anumite elemente emit energie la rate fixe. În 1903, Becquerel a împărțit Premiul Nobel cu soții Curie pentru descoperirea radioactivității. În 1900, Max Planck a descoperit că energia trebuie să fie emisă în unități discrete pe care le-a numit „cuante” (denumite ulterior fotoni) și nu în unde continue. Se părea că atomii erau compuși din particule și mai mici, dintre care unele se puteau îndepărta.
În 1911, Ernst Rutherford a demonstrat că atomii constau dintr-o mică regiune densă încărcată pozitiv, înconjurată de zone relativ mari de spațiu gol în care se mișcă particule și mai mici, încărcate negativ (electroni). Rutherford a presupus că electronii orbitează în jurul nucleului pe orbite ordonate și separate, la fel cum planetele orbitează în jurul soarelui. Cu toate acestea, deoarece nucleul este mai mare și mai dens decât electronii, el nu a putut explica de ce electronii nu au fost pur și simplu atrași în nucleu, distrugând astfel atomul.
Modelul atomic al lui Niels Bohr (1885-1962) a rezolvat această problemă prin utilizarea informațiilor lui Planck. Fotonii sunt emiși de un atom stimulat electric numai la anumite frecvențe. El a emis ipoteza că electronii locuiesc în niveluri energetice distincte și că lumina este emisă numai atunci când un electron „excitat” electric este forțat să schimbe nivelurile energetice.
Electronii din primul nivel energetic, cel mai apropiat de nucleu, sunt strâns legați de nucleu și au o energie relativ scăzută. În nivelurile mai îndepărtate de nucleu, electronii au o energie din ce în ce mai mare. Electronii din nivelul energetic cel mai îndepărtat de nucleu nu sunt legați la fel de strâns și sunt electronii implicați atunci când atomii se leagă între ei pentru a forma compuși. Natura periodică a proprietăților elementelor este un rezultat al numărului de electroni din nivelul energetic exterior care pot fi implicați în legături chimice. Deși modelele Bohr au fost înlocuite de modele atomice mai precise, principiile care stau la baza lor sunt solide, iar modelele Bohr sunt încă folosite ca diagrame simplificate pentru a arăta legăturile chimice.
Înțelegerea noastră despre atom a continuat să fie rafinată. În 1935, James Chadwick a primit Premiul Nobel pentru descoperirea sa că există un număr egal de particule neutre din punct de vedere electric în nucleul unui atom. Deoarece neutronii sunt neutrii din punct de vedere electric, ei nu sunt deviați nici de electroni, nici de protoni. În plus, neutronii au o masă mai mare decât protonii. Aceste fapte se combină pentru a face posibilă pătrunderea neutronilor în atomi și ruperea nucleului, eliberând cantități uriașe de energie. În ultimii ani, este din ce în ce mai evident faptul că protonii, neutronii și electronii din chimia clasică sunt compuși din particule subatomice și mai mici. Științele chimiei și fizicii se întrepătrund din ce în ce mai mult, iar teoriile se suprapun și intră în conflict pe măsură ce continuăm să sondăm materialele din care este alcătuit universul nostru.
Știri recente