شیمی مطالعه ساختار خواص ترکیبات و تغییر شکل مواد است. این علم مربوط می شود به عناصر شیمیایی و ترکیبات شیمیایی که شامل اتمها، مولکولها و کنش و واکنش میان آنهاست. جدول تناوبی و فهرست ترکیبات را هم مشاهده کنید.

تئوری اتمی پایه و اساس علم شیمی است. این تئوری بیان می دارد که تمام مواد از واحدهای بسیار کوچکی به نام اتم تشکیل شده اند. یکی از اصول و قوانینی که در مطرح شدن شیمی به عنوان یک علم تأثیر بسزائی داشته، اصل بقای جرم است. این قانون بیان می کند که در طول انجام یک واکنش شیمیایی معمولی، مقدار ماده نیز تغییر نمی کند. (امروزه فیزیک مدرن ثابت کرده که در واقع این انرژی است که بدون تغییر می ماند و همچنین انرژی و جرم با یکدیگر رابطه دارند.

این مطلب به طور ساده به این معنی است که اگر ده هزار اتم داشته باشیم و مقدار زیادی واکنش شیمیایی انجام پذیرد، در پایان ما همچنان بطور دقیق ده هزار اتم خواهیم داشت. اگر انرژی از دست رفته یا بدست آمده را مد نظر قرار دهیم، مقدار جرم نیز تغییر نمی کند. شیمی کنش و وامنش میان اتم ها را به تنهایی یا در بیشتر موارد به همراه دیگر اتم ها و به صورت یون یا مولکول (ترکیب) بررسی می کند.

این اتم ها اغلب با اتم های دیگر واکنش هایی را انجام می دهند. (برای نمونه زمانیکه آتش چوب را می سوزاند ترکیبی است از اتم های اکسیژن موجود در هوا و اتم های کربن و هیدروژن درون چوب). گاهی اوقات نیز نور بر آنها تأثیر می گذارد. (یک عکس بر اثر تغییراتی که نور بر روی مواد شیمیایی فیلم ایجاد می کند، شکل می گیرد.)

یکی از کشفیات بنیادین و جالب این بود که اتم ها رویهمرفته همیشه به نسبت برابر با یکدیگر ترکیب می شوند. شن سیلیسی دارای ساختمانی است که نسبت اتم های سیلیکون به اکسیژن در آن یک به دو است. امروزه ثابت شده است که استثناهایی در زمینه قانون نسبت های معین موجود دارد.

یکی دیگر از کشفیات کلیدی شیمی این بود که زمانیکه یک واکنش شیمیایی رخ می دهد، مقداری انرژی که بدست می آید یا از دست می رود همواره یکسان است. این امر ما را به مفاهیم مهمی مانند تعادل، ترمودینامیک و دینامیک می رساند.

شیمی فیزیک بر پایه فیزیک پیشرفته (مدرن) بنا شده است. اصولاً می توان تمام سیستم های شیمیایی را با استفاده از تئوری مکانیک کوانتوم شرح داد. این تئوری از لحاظ ریاضی پیچیده بوده و عمیقاً شهودی است.به هر حال در عمل و بطور واقعی تنها بررسی سیستم های ساده شیمیایی قابل بررسی با مفاهیم مکانیکی کوانتوم امکان پذیر است و در اکثر مواقع باید از تقریب استفاده کرد.(مانند تئوری کاری دانسیته). بنابر این درک کامل مکانیک کوانتوم برای تمامی مباحث شیمی کاربرد ندارد؛ زیرا نتایج مهم این تئوری (بخصوص اربیتال اتمی) با استفاده از مفاهیم ساده تری قابل درک و بکارگیری هستند.

با اینکه در بسیاری موارد ممکن است مکانیک کوانتوم نادیده گرفته شود، مفهوم اساسی که پشت آن است یعنی کوانتومی کردن انرژی، چنین نیست. شیمی دانها برای بکارگیری کلیه روشهای طیف نمایی به آثار و نتایج کوانتوم وابسته اند، هرچند که ممکن است بسیاری از آنها از این امر آگاه نباشند. علم فیزیک هم ممکن است مورد بی توجهی واقع شود. اما به هر حال برآیند نهایی آن (مانند رزونانس مغناطیسی هسته ای) پژوهیده و مطالعه می شود.

یکی دیگر از تئوری های اصلی فیزیک مدرن که نباید نادیده گرفته شود نظریه نسبیت است. این نظریه که از دیدگاه ریاضی پیچیده است، شرح کامل فیزیکی علم شیمی است. خوشبختانه مفاهیم نسبیتی تنها در برخی از محاسبات خیلی دقیق ساختمان هسته بویژه در عناصر سنگین تر کاربرد دارند و در عمل تقریباً با شیمی پیوند ندارند.

بخش های اصلی دانش شیمی عبارت اند از:

ـ شیمی تجزیه، تعیین ترکیبات مواد و اجزای تشکیل دهند آن، شیمی آلی، مطالعه ترکیبات کربن دار، شیمی معدنی، که به اکثریت عناصری که در شیمی آلی روی آنها تاکیید نشده می پردازد؛ و فیزیک شیمی که پایه و اساس کلیه شاخه های دیگر را تشکیل می دهد و شامل ویژگی های فیزیکی مواد و ابزار تئوری بررسی آنهاست.

دیگر رشته های مطالعاتی و شاخه های تخصصی که با شیمی پیوند دارند عبارت اند از:

ـ علم مواد، شیمی بسپار، شیمی محیط زیست و داروسازی .

چگونگی انجام یک واکنش شیمیایی

برای اینکه واکنش شیمیایی رخ دهد، باید پیوندهای بین اتمها و مولکولها شکسته شوند و به نحو دیگری تشکیل شوند. از آنجا که این پیوندها معمولا قوی هستند، اغلب برای شروع یک واکنش انرژی لازم است. این انرژی معمولا به شکل گرما است. مواد جدید (محصولات واکنش) خواص متفاوت با مواد اولیه (واکنش دهنده ها) دارند. واکنشهای شیمیایی فقط در آزمایشگاه رخ نمی دهند. این واکنشها دائما در اطراف ما در حال وقوع اند، مانند زنگ زدن اتومبیلها و پخته شدن غذا.

انواع واکنشهای شیمیایی

بعضی از واکنشهای شیمیایی بسیار سریع، یعنی ظرف چند ثانیه رخ می دهند. بعضی دیگر از واکنشها بسیار کند هستند و تا هزاران سال به طول می انجامند (فساد یک جسد مومیایی شده باستانی نمونه ای از واکنشهای بسیار کند است).

نحوه انجام واکنش

برای اینکه یک واکنش شیمیایی رخ دهد، باید مواد واکنش دهنده با هم تماس یابند تا محصولات جدیدی را تشکیل دهند. هر چیزی که تماس بین ذرات واکنش دهنده را افزایش دهد، سرعت واکنش را زیاد می کند. این کار را به چند طریق می توان انجام داد:

ـ با افزایش غلظت واکنش دهنده ها ، بطوری که ذرات بیشتری وجود داشته باشد. به این ترتیب ذرات به دفعات بیشتری به هم برخورد می کنند و بنابر این سریعتر واکنش می کنند و محصولات واکنش را تشکیل می دهند.

ـ با افزایش فشار درون ظرف واکنش ، بطوری که ذرات به هم فشرده شوند و در نتیجه بیشتر به هم برخورد کنند.

ـ با افزایش دمایی که واکنش در آن رخ می دهد. این کار به ذرات انرژی بیشتری می دهد، در نتیجه سریعتر حرکت می کنند و به دفعات بیشتری برخورد می کنند.

ـ با افزایش مساحت رویه واکنش دهنده ها با شکستن فیزیکی آنها. این کار فرصت بیشتری را برای تماس و واکنش به واکنش دهنده ها می دهد.

استفاده از کاتالیزور

راه دیگری برای تغییر سرعت یک واکنش استفاده از کاتالیزور است. کاتالیزور ماده ای است که سرعت یک واکنش را تغییر می دهد، اما خود آن در پایان واکنش از نظر شیمیایی بدون تغییر می ماند. کاتالیزگرها معمولا واکنش را سریعتر می کنند. این مواد این کار را با فراهم کردن مسیر دیگری برای واکنش انجام می دهند، مسیری که نیاز به انرژی کمتری دارد.

به دلیل پائین آمدن «سد» انرژی ذرات بیشتری واکنش می کنند و واکنش سریعتر انجام می شود. کاتالیزگرها در تولید صنعتی مواد مختلف، مانند بنزین ، مارگارین ، آمونیاک اهمیت زیادی دارند. اکثر کاتالیزگرهای صنعتی فلز هستند و به شکل دانه های فلزاند. بعضی از کاتالیزگرها برای کند کردن واکنشها به کار می روند و بازدارنده نامیده می شوند.

اکسایش و کاهش

اکسایش و کاهش فرایندهایی هستند که در بعضی واکنشهای شیمیایی رخ می دهند:

ـ وقتی که اکسیژن به ماده ای اضافه می شود، وقتی که ماده ای هیدروژن از دست می دهد و وقتی که ماده ای الکترون از دست می دهد.

کاهش ، عکس اکسایش است. این فرایند در سه حالت رخ می دهد:

ـ وقتی که ماده ای اکسیژن از دست می دهد، وقتی که ماده ای هیدروژن بدست می آورد و وقتی که مادهای الکترون بدست می آورد.

به عنوان مثال وقتی که منیزیم در هوا سوزانده می شود، این فلز با به دست آوردن اکسیژن و اکسیده شدن تبدیل به خاکستر می شود. این خاکستر اکسید منیزیم است.

واکنشهای اکسایش و کاهش

اکسایش و کاهش همیشه همراه با هم در یک واکنش رخ می دهند.در این صورت، واکنش را واکنش اکسایش کاهش می نامند. بعضی از واکنشهای اکسایش کاهش در صنعت مفید است. مثلا استخراج آهن از سنگ معدن آن با ترکیب کردن سنگ معدن با منواکسید کربن در کوره بلند آهن انجام می شود. در این واکنش سنگ معدن آهن اکسیژن از دست می دهد و آهن تشکیل می شود و منواکسید کربن ، اکسیژن بدست می آورد و تبدیل به دی اکسید کربن می شود

منابع:

http://fa.wikljiedia.org/

http://www.nkgfoclub.ir/modules.