כימיה מהי? ֿכימיה היא ענף במדעי הטבע העוסק בהרכב החומר ,מבנהו ,תכונותיו והשינויים החלים בו במהלך אינטראקציה עם חומר אחר או עם אנרגיה .כימיה היא דיסציפלינה מדעית הקשורה לחקר של אטומים, מולקולות ,גבישים וצברים אחרים של חומר ,בין אם הם מצויים בהרכב מסוים או בצורה מבודדת .ניתן לכנות את הכימיה כ"מדע מרכזי" ,כיוון שהיא מקשרת בין תחומים נוספים של מדעי הטבע ,כגון אסטרונומיה ,פיזיקה ,מדע החומרים ,ביולוגיה וגאולוגיה .מבחינה היסטורית ,הכימיה המודרנית התפתחה מהאלכימיה בעקבות המהפכה הכימית (.)3771 מבנה החומרים שבהם אנו משתמשים באופן שוטף נובע מתכונותיהן של תרכובות כימיות ושל האינטראקציות ביניהן .לדוגמה ,פלדה קשה יותר מברזל כיוון שהאטומים שלה מאורגנים בתא יחידה קשיח יותר; עץ נשרף או עובר חמצון מהיר כיוון שהוא יכול להגיב בתגובה כימית ספונטנית עם חמצן מעל לטמפרטורה מסוימת; סוכר ומלח מומסים במים כיוון שהתכונות המולקולריות/יוניות שלהם הן כאלה שההתמוססות היא המצב המועדף בטמפרטורת החדר .חומרים כימיים מסווגים במונחים של מבנה ,מצב צבירה והרכב כימי .ניתן לנתח אותם באמצעות שימוש בשיטות של אנליזה כימית ,כגון ספקטרוסקופיה וכרומטוגרפיה. היא תהליך שבו משתנה מבנה המולקולות המרכיבות את החומר .תרכובות המוצא נקראות תגובה כימית "מגיבים" ,והתרכובות הנוצרות בסופה של התגובה קרויות "תוצרים" .מספר האטומים והאלקטרונים אינו משתנה במהלך התגובה ,זאת לפי חוק שימור המסה .בדרך כלל משתתף בתגובה יותר ממגיב אחד. בתגובה כימית עשויות מולקולות להתרכב וליצור תרכובת של מולקולות גדולות יותר ,להתפרק וליצור מולקולות קטנות יותר ,או ליצור סידור חדש של האטומים בתוך המולקולה .הכימיה משלבת את מושגי האנרגיה והאנטרופיה ביחס לספונטניות ותהליכים כימיים .תגובה כימית כרוכה ,בדרך כלל ,ביצירה או בשבירה של קשרים כימיים ,ובצריכה או בפליטה של אנרגיה. הטבלה המחזורית ,המודל הפופולרי ביותר כיום למיון כל היסודות הכימיים בטבע. ניסוי על צבעי מאכל באמצעות פחמן דו-חמצני ארבעת היסודות והאלכימיה ראשיתה של הכימיה היא בפילוסופיה היוונית ,שאחד ממאפייניה הבולטים היה תאוריית ארבעת היסודות .למעשה מדובר במשפחה של תאוריות שהמשותף לכולן היא ההנחה שהעולם מורכב מארבעה יסודות ,אדמה ,מים ,אוויר ואש .גרסאות שונות של התאוריה הוסיפו יסודות נוספים ,כגון האתר ,היסוד השמיימי שממנו עשויים גרמי השמים .תאוריה מתחרה הייתה התאוריה האטומית ,שתיארה את החומר כמורכב מחלקיקים יסודיים .היו גם תאוריות ,כגון זו של אפלטון ,ששילבו את שתי הגישות וזיהו את היסודות הבסיסיים עם חלקיקים יסודיים. בימי הביניים פותחו תאוריות אלכימיות שהושפעו מתורות ארבעת היסודות ,ובמיוחד מהגרסה של אריסטו .התאוריות האלכימיות השונות הניחו קיומם של מספר יסודות מצומצם שיכולים לעבור טרנספורמציות שונות .האלכימאים הבחינו שלחומרים שונים (אלכוהול למשל) יש השפעה על הפיזיולוגיה האנושית .בעקבות זאת הם הניחו שבחומרים השונים כמוסים כוחות נסתרים ,לרבות כוחות מאגיים, ושמו להם למטרה לגלות כוחות אלו .האלכימאים הצליחו לתאר בשיטתיות ובדיוק יחסי מגוון רחב של תגובות כימיות. העת החדשה התאוריות האלכימיות הוחלפו במהלך המאה ה 37-בתאוריית הפלוגיסטון .פלוגיסטון היה השם שהוענק לחומר היפותטי חסר צבע ,טעם וריח שלפי התאוריה נמצא בכל גוף בר בעירה ומשתחרר במהלכה. התאוריה נהגתה על ידי יוהאן יואכים בכר על מנת להסביר את תופעת הבעירה ,ובמשך מאתיים שנים היא הייתה התאוריה הדומיננטית בכימיה .לפי התאוריה ,כל גוף בר בעירה מכיל את הפלוגיסטון אשר בתנאים מסוימים הופך לאש .כלומר ,כל חומר בר בעירה מכיל בתוכו את האש ,אולם במעין מצב צבירה שהוא כלוא בו ,ואילו הבעירה היא מעבר האש למצב חופשי. אף על פי שהצליחה לאחד תופעות כימיות רבות ,להסבירן ולספק ניבויים איכותיים וכמותיים ,תאוריית הפלוגיסטון הוחלפה בסופו של דבר על ידי תאוריית החמצן של אנטואן לבואזיה .נהוג לייחס את החלפתה של תיאורית הפלוגיסטון לכישלונה להסביר תהליכי בעירה שלאחריהם משקלו של החומר שבער גדל ,ולא קטן ,כמצופה ,כתוצאה מאיבוד פלוגיסטון .לבואזיה טען שהבעירה אינה אלא התרכבות של החומר הבוער עם החמצן שבאוויר .הוא הראה כי בעת תהליכים כימיים חומר לא אובד ולא נוצר יש מאין .משקל התוצרים בתהליך שווה למשקל המגיבים (החומרים המקוריים) .לבואזיה דחה את זיהוי היסודות עם חלקיקים יסודיים ,וכן סבר שחום הוא יסוד כימי שאותו כינה 'קלוריק' .השקפות אלה הוחלפו מאוחר יותר עם התפתחות הכימיה. התורה האטומית במאה ה 31-החלה להתפתח התורה האטומית ,לפיה כל חומר בנוי מחלקיקים יסודיים המכונים אטומים, המחולקים לסוגים שונים .על-פי תורה זו ,יש להבדיל בין שלושה סוגים של חומרים: יסוד ,שמרכיביו הם אטומים מסוג מסוים בלבד. תרכובת ,שבה מצטרפים אטומי יסודות שונים באמצעות קשר כימי לכלל מולקולות ,שהן אבני הבניין של התרכובת. תערובת ,שבה מספר חומרים מתערבבים זה בזה ללא איחוד המולקולות המרכיבות אותם. את היסוד לתורה הזו הניח האנגלי ג'ון דלטון .שני אנשי מדע נוספים שתרמו תרומה מכרעת להתפתחות הכימיה במאה ה 31-היו השבדי ברצליוס והרוסי מנדלייב .ברצליוס זיהה יסודות כימים אחדים ופיתח תאוריה להסברת הקשר הכימי שלפיה הכוחות המצמידים את האטומים במולקולות זה לזה .הוא הניח את היסוד לכימיה האנליטית ,והחל למדוד את המסות האטומיות של היסודות ,כלומר ,לקבוע על פי כמה כבד האטום שבכל יסוד מאטום המימן ,שהוא הקל ביסודות .מנדלייב מיין את כל היסודות שהיו ידועים בזמנו לפי מסה אטומית עולה ומצא מחזוריות בתכונות האטומיות שלהם .הוא כתב את הטבלה המחזורית של היסודות וניבא בעזרתה בהצלחה את קיומם ותכונותיהם של כמה יסודות שלא היו ידועים עד אז. במאה ה 31-אף נתגלה כי אטומים בתמיסה מצויים בצורת יונים בחלק מהמקרים ,וניתן לעשות שימוש בזרם חשמלי כדי להפריד תרכובות ליסודותיהן -שיטה הנקראת אלקטרוליזה .לאחר פיתוח שיטת הספקטרוסקופיה זוהו כמה יסודות חשובים .נמצא כי כמה תרכובות אורגניות מורכבות מאותם יסודות, והחלה להתפתח הכימיה האורגנית. לימודי כימיה כיום כימיה היא חלק אינטגרלי בחומר הלימוד המדעי בבית ספר תיכון ובשלבים הראשונים של לימודי האוניברסיטה .ברמות אלה ,היא נקראת בדרך כלל "כימיה כללית" והיא מהווה הצגה של מגוון רחב של תפיסות יסודיות המאפשרות ללומדים לרכוש כלים וכישורים שימושיים ברמות מתקדמות יותר ,שבהן נלמדים תחומי המשנה של הכימיה בצורה מעמיקה יותר .מדען המעורב במחקר כימי נקרא כימאי .רוב הכימאים מתמחים בתחום משנה אחד או במספר תחומי משנה מושגי יסוד מבנה האטום ,על פי ארנסט רתרפורד ,פיזיקאי נודע שזכה בפרס נובל לכימיה. ישנם מספר מושגים שחיוניים למחקר הכימי .להלן רשימה חלקית שלהם: אטום אטום הוא היחידה הבסיסית של יסוד כימי .האטום הוא אוסף של חלקיקי חומר המורכב מליבה טעונה במטען חשמלי חיובי (גרעין האטום) המכילה פרוטונים ונייטרונים ,שאותה מקיפים אלקטרונים הנושאים מטען חשמלי שלילי ומאזנים את המטען החיובי שבגרעין .אטום הוא החלק הקטן ביותר של החומר ששומר על התכונות הכימיות של היסוד כגון אלקטרושליליות ,אנרגיית יינון ,מצב חמצון מועדף ,מספר קואורדינציה ,סוג הקשרים שהוא נוטה ליצור כגון קשר מתכתי ,קשר יוני וקשר קוולנטי. יסוד כימי יסוד כימי מוגדר על ידי מספר ייחודי של פרוטונים הנמצאים בגרעין האטום שלו .מספר זה ידוע כמספרו האטומי של היסוד .לדוגמה ,כל האטומים המכילים 6פרוטונים בגרעין הם אטומים של היסוד פחמן ,וכל האטומים המכילים 19פרוטונים בגרעין שלהם הם אטומים של היסוד אורניום .אולם ,קיימים גם איזוטופים של יסוד הנבדלים זה מזה במספר הנייטרונים בגרעין. התיאור הנוח ביותר של יסוד כימי מוצג בטבלה המחזורית המאגדת את היסודות לפי מספרם האטומי. הודות למבנה הייחודי שלה הטורים (מכונים גם קבוצות/משפחות) והשורות (מכונות גם מחזורים) של היסודות השונים חולקים מספר תכונות כימיות משותפות ,והן מסודרות לפי רצף תכונות כגון רדיוס אטומי ,אלקטרושליליות וכדומה .ישנן רשימות של יסודות לפי שם ,סימול ומספר אטומי. תרכובת תרכובת היא חומר בעל יחס ייחודי של אטומי יסודות כימיים הקובעים את הרכבו ,והיא בעלת צורה ייחודית הקובעת את תכונותיה הכימיות .לדוגמה ,מים הם תרכובת המכילה מימן וחמצן ביחס של .3:9 מולקולה מולקולה היא החלק הקטן ביותר (מלבד אטום) של כימיקל טהור השומר על תכונותיו הכימיות ,כלומר, היכולת לעבור סדרת תגובות כימיות מוגדרת עם כימיקלים אחרים .מולקולות יכולות להיות נייטרליות מבחינה חשמלית בניגוד ליונים .המולקולות הן בדרך כלל קבוצה של אטומים הקשורים בקשר קוולנטי, כך שהמבנה הכולל נותר נייטרלי מבחינה חשמלית ,וכל אלקטרוני הקשר מזווגים עם אלקטרונים אחרים בקשר כימי או נמצאים במולקולה כאלקטרונים בלתי קושרים. אחת מהתכונות העיקריות של מולקולה היא הגאומטריה שלה המכונה לעתים גאומטריה מולקולרית. בעוד שהמבנה של מולקולות דו-אטומיות ,תלת-אטומיות וארבע-אטומיות עשוי להיות טריוויאלי (קווי, זוויתי או פירמידה) ,המבנה של מולקולות רב-אטומיות ,שהן מולקולות המורכבות מ 6-אטומים ומעלה (או מספר יסודות שונים) ,עשוי להשפיע במידה רבה על מאפייניה הכימיים. מול מול הוא כמות חומר המכילה את אותו מספר של ישויות כימיות (אטומים ,מולקולות או יונים) כמו ב39- גרם של פחמן ,39-כאשר אטומי הפחמן אינם קשורים ,נמצאים במנוחה ובמצב היסוד שלהם .מספר זה ידוע כמספר אבוגדרו ,והוא נקבע באופן ניסויי .הערך המקובל כיום ( )9007הוא בערך 91X106.09יחידות חומר למול .מספר זה הוא חסר יחידות ,ולפיכך הוא יכול לתאר כל סוג של אובייקט יסודי ,על אף שהשימוש במושג המול מוגבל בדרך כלל למבנים תת-אטומיים ,אטומיים ומולקולריים. מספר המולים של חומר בליטר אחד של תמיסה ידוע כמולריות .מולריות היא היחידה הנפוצה לבטא ריכוז כימי של תמיסה בכימיה פיזיקלית. יונים ומלחים יון הוא אטום או מולקולה בעלי מטען חשמלי שאיבדו או קלטו אלקטרון אחד או יותר .קטיונים (יונים בעלי מטען חשמלי חיובי) ואניונים (יונים בעלי מטען חשמלי שלילי) יכולים ליצור מבנה גבישי של מלחים נייטרליים .דוגמאות ליונים רב-אטומיים שאינם מתפרקים במהלך תגובת חומצה-בסיס הן הידרוקסיל וזרחה. יונים הנמצאים במצב צבירה גזי ידועים כפלזמה. מצב צבירה מצב צבירה בנוסף להבדלים בתכונותיהם הכימיות ,כימיקלים שונים יכולים להימצא במצבי צבירה שונים .לרוב ,הסיווג הכימי אינו תלוי במצב הצבירה; אולם ,מספר מצבי צבירה מיוחדים אינם מתאימים למספר תכונות כימיות .מצב צבירה מוגדר כאוסף מצבים במערכת כימית שהמשותף להם הוא תכונות מבניות מסוימות המתקיימות בטווח מסוים של תנאים כגון לחץ וטמפרטורה .תכונות פיזיקליות כגון צפיפות ומקדם שבירה נוטות לקבל ערכים אופייניים במצבי צבירה שונים .מצב הצבירה של חומר מוגדר על ידי כמות האנרגיה הנמצאת במערכת ובאופי הקשרים הכימיים בין האטומים והמולקולות כלומר במצב צבירה מוצק החלקיקים יהיו צמודים אחד לשני בנוזל מעט פרודים ובגז המהירות תתגבר והחלקיקים יתרחקו לחלוטין. בחלק מהמקרים אין גבול ברור בין מצבי הצבירה השונים ,ובמקרה זה אומרים שהחומר נמצא במצב סופרקריטי .בדיאגרמת הפאזות יש נקודה הנקראת הנקודה המשולשת והיא משותפת לשלושת מצבי הצבירה הנפוצים .כיוון שנקודה זו קבועה עבור תנאים מסוימים ,נוח להגדיר באמצעותה את התנאים הללו. מצבי הצבירה העיקריים הם מוצק ,נוזל וגז .רוב החומרים יכולים להתקיים במספר צורות של מוצק. לדוגמה ,ישנן שלוש צורות של ברזל במצב צבירה מוצק (אלפא ,גאמא ודלתא) המוגדרות לפי הטמפרטורה והלחץ .ההבדל העקרוני בין הצורות הללו הוא השוני במבנה הגבישי של האטומים .מצבי צבירה פחות מוכרים הם פלזמה ,עיבוי בוז-איינשטיין ,עיבוי פרמיוני ומצבים פאראמגנטיים ופרומגנטיים של חומרים מגנטיים .בעוד שרוב מצבי הצבירה המוכרים עוסקים במרחב תלת-ממדי ,ניתן להגדיר אנלוגים למערכות הללו בשני ממדים ,דבר המהווה כלי שימושי במערכות ביולוגיות. קשר כימי קשר כימי הוא מושג המסייע להבין כיצד אטומים מחוברים זה לזה במולקולות .ניתן לדמות אותו לשיווי משקל רב-קוטבי בין המטענים החיוביים שבגרעין ובין המטענים השליליים המקיפים אותו .מעבר לכוחות משיכה ודחייה ,מגדירות האנרגיות ומיקום האלקטרון את יכולתו של האטום להיקשר לאטום אחר. הפוטנציאלים הללו יוצרים את האינטראקציות המחזיקות את האטומים במולקולות ובגבישים .בתרכובות פשוטות רבות ניתן לעשות שימוש בתאוריות המסבירות את אופי הקשר הכימי על מנת לנבא את מבנן המולקולרי והרכבן .באופן דומה ,ניתן ליישם תאוריות פיזיקליות על מנת לנבא מבנים יוניים רבים. בתרכובות מורכבות יותר ,כגון סריגים מתכתיים ,התאוריות הקלאסיות (כגון תאוריית הקשר הוולנטי) נכשלות ,ויש צורך להשתמש בגישות אחרות המבוססות בעיקר על עקרונות של הכימיה הקוונטית ,כגון אורביטלים מולקולריים. תגובה כימית תגובה כימית היא שינוי של כימיקל באמצעות אינטרקציה עם כימיקל אחר ,או כתוצאה מאינטרקציה עם אנרגיה .תגובה כימית יכולה להתרחש באופן טבעי או להתבצע במעבדה על ידי כימאים בכלים מיוחדים. התגובה יכולה להסתיים ביצירה ,פירוק או ארגון מחדש של המולקולות .תגובות כימיות כוללות בדרך כלל יצירה או שבירה של קשרים כימיים .דוגמאות לתגובות כימיות נפוצות הן חמצון ,חיזור ,דיסוציאציה וסתירה. ניתן לתאר תגובה כימית באמצעות שימוש במשוואה כימית .בעוד שבתגובות לא-גרעיניות מספרי האטומים וסוגם בשני צידי המשוואה שווים זה לזה ,בתגובה גרעינית הדבר נכון רק לגבי חלקיקי הגרעין – הפרוטון והנייטרון. רצף השלבים שבהם הקשרים הכימיים מתארגנים מחדש במהלך התגובה נקרא מנגנון התגובה .ניתן לחזות שתגובה כימית תתרחש במספר שלבים מוגדר ,כאשר כל אחד מהם מתרחש במהירות שונה. חומרי ביניים רבים בעלי יציבות משתנה יכולים להיווצר במהלך התגובה .פיתוחם של מנגנוני התגובה בא להסביר את הקינטיקה הכימית ואת יחסי התוצרים המתקבלים .מספר חוקים אמפיריים ,כגון חוקי וודוורד-הופמן ,יכולים להיות שימושיים כאשר מציעים מנגנון לתגובה כימית. הגדרה יותר קשיחה לתגובה כימית היא" :תגובה כימית היא התהליך המסתיים בהמרה של כימיקלים שונים" .לפי הגדרה זו ,תגובה כימית יכולה להיות חד-שלבית או רב-שלבית .ניתן להגביל את ההגדרה עוד יותר כך שתכלול גם מקרים שבהם המרת הקונפורמציות ניתנת לצפיה בניסוי .תגובות כימיות מסוג זה כוללות בדרך כלל סדרה של ישויות מולקולריות כפי שנרמז בהגדרה ,אולם נוח להשתמש במונח גם עבור שינויים הכוללים ישות מולקולרית יחידה. .
© Copyright 2024