الكيمياء Chemistry

الكيمياء Chemistry


.

الكيميــاء الدراسة العلمية للمواد. ويبحث الكيميائيون في خواص المواد التي يتكون منها الكون. ويدرسون كيف تتفاعل تلك المواد تحت الظروف المختلفة. ويحاولون إيضاح سلوك هذه المواد بناء على بنيتها التركيبية ومكوناتها. كما يحاول الكيميائيون معرفة التغيرات الكيميائية التي تتضمن تعديلات في التركيب الكيميائي للمواد. فاتحاد الحديد مع أكسجين الهواء ليكوّن الصدأ يمثل تغيرًا كيميائيًا. ويمكن للمواد أن تتغير فيزيائيًا دون حدوث تغيير في تركيبها الكيميائي، فالماء مثلاً يتغير فيزيائيًا وليس كيميائيًا عندما يتجمد.

وتستمر التغييرات الكيميائية في الطبيعة وذلك لجعل الحياة ممكنة على وجه الأرض. فأثناء العواصف الرعدية مثلاً، يتسبب البرق في بعض التغيرات الكيميائية. ونتيجة للطاقة الكهربائية والحرارة الناتجة عن الصواعق يتحد بعض النيتروجين والأكسجين في الهواء، وينتج عن ذلك غازات تعرف بأكاسيد النيتروجين. وتذوب هذه الأكاسيد في قطرات المطر أثناء سقوطها إلى سطح الأرض وتتحول كيميائيًا داخل التربة إلى نترات، وهي مواد تعمل كمخصِّب (سماد).

كما يحدث التفاعل الكيميائي أيضًا عندما يحترق الخشب ويتحول إلى رماد وغازات. كذلك الطعام الذي نتناوله يمر عبر العديد من التغيرات الكيميائية داخل أجسامنا.

لقد تعلم الكيميائيون الكثير عن المواد الكيميائية والعمليات التي تحدث في الطبيعة. وإضافة لذلك تمكن الباحثـون الكيميائيـون من تحضير العديد من المـواد المفيدة التي لا توجد في الطبيعة. وتشمل المواد الناتجة عن الأبحاث الكيميائية، الألياف الصناعية والعقاقير والأصباغ والأسمدة والبلاستيك. وقد حسنت المعرفة التي اكتسبها الكيميائيون والمواد التي أنتجوها كثيرًا من حياة البشر.


عمل الكيميائيين

قياس الأوزان الجزيئية باستخدام جهاز مطياف الكتلة.

جمع عينات تربة من أحد مواقع النفايات الضارة.

إنجاز تركيب عطر جديد.

فحص جهاز تنقية العقاقير.
تعنى الكيمياء بدراسة العديد من المواد. وتختلف المواد كثيرًا في خصائصها وصيغها البنائية وتركيبها، كما تختلف كثيرًا الطرق التي يستخدمها الكيميائيون والأسئلة التي يحاولون الإجابة عليها. ولكن جميع الكيميائيين يتفقون على الأفكار والمبادئ الأساسية للكيمياء.



المبادئ الأساسية للكيمياء. تمثل العناصر الكيميائية المواد الأساسية للكيمياء، فهي بمثابة حجارة البناء للمواد الأخرى جميعًا. وكل عنصر كيميائي يتكون من نوع واحد من الذرات التي تختلف عن ذرات أي عنصر آخر. ويستخدم الكيميائيون حروف الهجاء اللاتينية رموزًا للدلالة على العناصر المختلفة، فالحروف C,H,O,Fe على سبيل المثال، ترمز على التوالي لعناصر الكربون والهيدروجين والأكسجين والحديد. وقد ثبت وجود 91 عنصرًا في الطبيعة حتى الآن، كما أن هناك نحو 20 عنصرًا آخر تم إنتاجها صناعيًًا. انظر: العنصر الكيميائي.

ينتج عن القوى الكهربائية على مستوى الذرة روابط كيميائية تربط بين ذرتين أو أكثر لتكون جزيئات. وتتكون بعض الجزيئات من ذرات عنصر واحد فقط. فجزيئات الأكسجين مثلاً تتكون من ذرتي أكسجين ويرمز الكيميائيون لهذا الجزئي بالصيغة الكيميائية O2 وفيها يمثل الرقم 2 عدد الذرات في الجزيء. انظر: الجزيء.

وعندما ترتبط ذرات عنصرين مختلفين أو أكثر بعضهما مع بعض تكون مركبًا كيميائيًا. فالماء مثلا مركّب كيميائي يتكوّن من ذرتي هيدروجين وذرة أكسجين. والصيغة الكيميائية لجزيء الماء هي .H2O انظر : المركب.

تتكون المركبات أو تتفكك بوساطة التفاعلات الكيميائية التي تقتضي تكوين أو تفكيك الروابط الكيميائية. ويستخدم الكيميائيون المعادلات الكيميائية للدلالة على يحدث في التفاعلات الكيميائية. وتتركب المعادلات الكيميائية من صيغ كيميائية ورموز توضح المواد المشتركة في التفاعل الكيميائي، فالمعادلة التالية مثلا:

C + O2¿CO2

تعبر عن التغير الكيميائي الذي يحدث عندما تتفاعل أو ترتبط ذرة كربون واحدة مع جزيء أكسجين، وينتج عن ذلك جزيء ثاني أكسيد الكربون وصيغته CO2 .



المدى الواسع للدراسة. يدرس الكيميائيون المواد للإجابة عن الأسئلة التي تدور في أذهانهم أو يسألون عنها، فالعديد من الكيميائيين يدرسون مجموعات خاصة من المواد كالمركبات المحتوية على الروابط بين ذرات الكربون مثلاً. كما يتخصص بعض الكيميائيين في الطرق التي تمكنهم من تحليل المواد وتعيين العناصر والمركبات المكونة لها. كما يدرس كيميائيون آخرون القوى التي تدخل في التغيرات الكيميائية. وتتعامل أغلب البحوث الكيميائية مع الصيغ البنائية لذرات وجزيئات المواد. ويحاول بعض الكيميائيين التنبؤ بالسلوك الكيميائي للقوى الموجودة داخل الذرة اعتمادًا على النظريات المعروفة. كما يعمل الكيميائيون على تحضير مواد جديدة إلى جانب مواد أخرى موجودة في الطبيعة ولكنها نادرة. ويسمى هذا الحقل بالكيمياء الاصطناعية. ويعمل العديد من الكيميائيين في توظيف معرفتهم لاستخدام المواد والعمليات والطرق الكيميائية في الزراعة والصناعة والطب ومجالات أخرى عديدة.

وفي بعض الحالات تتداخل الكيمياء مع علوم أخرى مثل، علوم الحياة والجيولوجيا والرياضيات والفيزياء للمدى الذي أنتج العديد من العلوم المتداخلة. فالكيمياء الحيوية مثلاً تجمع بين علمي الأحياء والكيمياء في دراسة العمليات الكيميائية للكائنات الحية. كما أن الجيوكيمياء تدرس العمليات الكيميائية التي تحدث على الأرض وفي الغلاف الجوي. ويدرس علماء الجيوكيمياء الصيغ البنائية للصخور والمعادن وتركيبها، بينما تختص الكيمياء الفلكية بدراسة تركيب المواد في النجوم والفضاء الكوني.



الأدوات وأساليب العمل. يستخدم الكيميائيون مجموعة واسعة ومتنوعة من الأدوات وأساليب العمل. وتساعد الأجهزة المتخصصة والحواسيب الكيميائيين في عمل قياسات دقيقة، فباستخدام نبيطة تسمى المطياف الكتلي مثلاً، يستطيع الكيميائيون تحديد كتلة الجزيئات ونوع الذرات المكونة لها. والكتلة هي الكمية الكلية للمادة التي يحتويها شيء ما. ويستطيع الكيميائيون التعرف على الطريقة التي تنتظم بها الذرات في الجزيء باستخدام الأجهزة التي تقيس الأشعة التي يمتصها أو يبعثها ذلك الجزيء. كما يستطيع الكيميائيون باستخدام الطرق الكروماتوغرافية فصل المخاليط المعقدة إلى مكوناتها وكذلك كشف وقياس التراكيز المتدنية من المواد كملوثات الهواء والماء مثلاً.


--------------------------------------------------------------------------------

الفروع الرئيسية للكيمياء

--------------------------------------------------------------------------------

الكيمياء التحليلية تختص بتعيين خواص المواد الكيميائية والصيغ الكيميائية للمركبات والمخاليط وتركيبها.
التحليل الكمي يقدر كميات الكيميائيات المختلفة التي تتكون منها المواد.
التحليل النوعي يكشف عن نوع العناصر والمركبات التي تتكون منها المواد.
الكيمياء الراديوية تختص بتعيين وإنتاج العناصر المشعة واستخداماتها في دراسة العمليات الكيميائية.
الكيمياء التطبيقية تعنى بالتطبيق العملي للمعرفة بالمواد والعمليات الكيميائية.
الكيمياء الزراعية تهتم بتطوير الأسمدة والمبيدات وتدرس العمليات الكيميائية التي تحدث داخل التربة والعمليات التي تتعلق بنمو المحاصيل.
كيمياء البيئة تدرس وتراقب وتضبط العمليات الكيميائية والعوامل البيئية الأخرى وعلاقتها بالكائنات الحية.
الكيمياء الصناعية تختص بإنتاج المواد الخام كيميائياً وتطوير العمليات والمنتجات الكيميائية الصناعية ودراستها ومراقبتها.
الكيمياء الحيوية تتعامل مع العمليات الكيميائية للكائنات الحية.
الكيمياء اللاعضوية تهتم بالمواد الكيميائية التي لا تحتوي على روابط بين ذرتي كربون (كربون ـ كربون).
الكيمياء العضوية تعنى بدراسة المواد الكيميائية التي تحتوي على روابط بين ذرات الكربون.
الكيمياء الفيزيائية تترجم وتفسر العمليات الكيميائية اعتماداً على الخواص الفيزيائية للمادة، مثل الكتلة والحركة والحرارة والكهرباء و الأشعاع.
الحركية الكيميائية تدرس تدرج الخطوات في التفاعلات الكيميائية، والعوامل التي تؤثر على معدل سرعة التفاعلات الكيميائية.
الدينامية الحرارية الكيميائية تتعامل مع تغير الطاقة الذي يحدث أثناء التفاعلات الكيميائية وكيف يؤثر اختلاف الضغط والحرارة على التفاعلات.
الكيمياء النووية استخدام الطرق الكيميائية في دراسة التفاعلات النووية.
كيمياء الكم تحلل توزيع الإلكترونات في الجزيئات وتفسر السلوك الكيميائي للجزيئات اعتماداً على البناء الإلكتروني.
الكيمياء الإشعاعية تهتم بالآثار الكيميائية للأشعة العالية الطاقة على المواد.
كيمياء حالة الصلابة تتعامل مع التركيب الكيميائي للمواد الصلبة، والتغير الذي يحدث داخل هذه المواد وفيما بينها.
الكيمياء الفراغية تدرس ترتيب الذرات في الجزيئات والخواص التي تنتج عن هذا الترتيب.
كيمياء السطوح تهتم باختبار الخواص السطحية للمواد الكيميائية.
كيمياء البوليمرات تهتم بالبلاستيك والجزيئات السلسلية الأخرى المتشابكة التي تتكون بتشابك الجزيئات الصغيرة بعضها ببعض.
الكيمياء الاصطناعية تختص باتحاد العناصر الكيميائية والمركبات لإنتاج مواد مماثلة لمواد موجودة في الطبيعة، أو تشكيل مواد جديدة غير موجودة في الطبيعة.




نبذة تاريخية



صهر الفلزات وسبكها كما يظهر على هذه اللوحة الجدارية المصرية المرسومة حوالي عام 1474ق.م. وقد عرف القدماء كيفية استخدام المواد المختلفة لصنع أشياء عديدة.
البدايات. توصل إنسان ما قبل التاريخ إلى اكتشافات كثيرة ومفيدة عن طريق ملاحظة خصائص المواد الطبيعية والتغيرات التي تحدث لهذه المواد.

فقد استخدم الإنسان النار قبل مليون ونصف المليون عام. وكانت النار أول تفاعل كيميائي استطاع الإنسان إنتاجه والسيطرة عليه. ولقد مكّن استعمال النار الإنسان من تغيير خصائص المواد؛ فقد استخدمت النار في الطهي وفي جعل الأواني الفخارية أكثر صلابة وفي صهر الخامات المعدنية. كما تمكن الإنسان، باستخدام النار، من تحضير مواد جديدة. فعلى سبيل المثال استطاع الإنسان حوالي عام 3500 ق. م. صنع البرونز بخلط مصهور النحاس والقصدير.

ولقد اعتقدت شعوب العديد من الحضارات القديمة ـ باطلاً ـ بأن الآلهة أو الأرواح هي التي تسبب الأحداث الطبيعية. ولكن في القرن السابع قبل الميلاد نظر بعض الفلاسفة الإغريق للطبيعة بمنظار آخر إذ اعتقدوا بأن الطبيعة تسير وفقًا لقوانين يستطيع الإنسان اكتشافها بالملاحظة والمنطق.

وقد وضع العديد من الفلاسفة الإغريق نظريات حول المواد الأساسية التي يتكون منها العالم. وذهب الفيلسوف الإغريقي إمبيدوقليز الذي عاش في القرن الخامس قبل الميلاد، إلى أن هناك أربعة عناصر أساسية هي الهواء والتراب والنار والماء، وأن هذه العناصر تتحد بنسب مختلفة لتكوّن كل المواد الأخرى.

وفي القرن الخامس قبل الميلاد. كان من تعاليم الفيلسوف الإغريقي ديموقريطس أن كل المواد تتكون من مادة واحدة توجد على هيئة وحدات صغيرة لا تتكسر (تتحطم) تُسمَّى الذرات. وبناء على هذه النظرية، فإن الاختلاف بين المواد هو فقط بسبب الاختلاف في حجم وشكل وموقع ذراتها.

واعتقد الفيلسوف الإغريقي أرسطو الذي عاش في القرن الرابع قبل الميلاد أن أيًّا من العناصر الأساسية الأربعة التي اقترحها إمبيدوقليز يمكن تحويلها إلى أي من العناصر الأخرى بإضافة أو إزالة الحرارة والرطوبة. وقد قرر أن هذا التغيير ـ ويعرف بالتحول ـ يحدث كلما دخل عنصر ما في تفاعل كيميائي، أو تحول من حالة فيزيائية (صلب، غاز، سائل) إلى حالة أخرى. فقد اعتقد أرسطو بأن الماء مثلاً يتحول إلى هواء عند تسخينه.


--------------------------------------------------------------------------------

تواريخ هامة في الكيمياء

--------------------------------------------------------------------------------

3500 ق.م تعلّم الإنسان صنع البرونز.
القرن الخامس قبل الميلاد . قدم ديموقريطس نظرية الذرة.
القرن السابع الميلادي بدأت الخيمياء في الانتشار من مصر إلى شبه الجزيرة العربية ووصلت إلى غرب أوروبا في القرن الثاني عشر الميلادي.
800م حضر جابر بن حيان لأول مرة حمض الكبريتيك بالتقطير من الشب، واكتشف الصودا الكاوية.
805م أدخل الكيميائيون العرب المنهج التجريبي في العلوم التطبيقية وعلى رأسها الكيمياء.
أوائل القرن الثامن عشر الميلادي طوّر جورج أيرنست ستال نظرية اللاهوب.
في الخمسينيات من القرن الثامن عشر الميلادي تعرَّف جوزيف بلاك على ثاني أكسيد الكربون.
1766م اكتشف هنري كافندش الهيدروجين.
في السبعينيات من القرن الثامن عشر الميلادي اكتشف كارل شيل وجوزيف بريستلي الأكسجين.
أواخر القرن الثامن عشر الميلادي عرف أنطوان لافوازيه قانون حفظ الكتلة وافترض نظرية الأكسجين في الاحتراق.
1803م أعلن جون دالتون نظريته الذرية.
1811م قرر إميديو أفوجادرو أن الحجوم المتساوية لجميع الغازات تحت نفس الضغط والحرارة تحتوي على أعداد متساوية من الجسيمات.
أوائل القرن التاسع عشر الميلادي استطاع جونز جاكوب برزيليوس حساب الأوزان الذرية بدقة لعدد من العناصر.
1828م استطاع فريدريك فولر تحضير أول مادة عضوية مخلقة من مواد غير عضوية.
1856م حضر السير وليم هنري بيركن أول صبغة مصنعة.
1869م اكتشف دمتري مندليف ويوليوس لوثر ماير القانون الدوري.
1910م سجل فريتز هابر براءة اختراع طريقة لإنتاج النشادر المصنعة.
1913م اقترح نيلز بور نظريته الذرية.
1916م وصف جليبرت ن. لويس الروابط الإلكترونية بين الذرات.
الخمسينيات من القرن العشرين بدأ علماء الكيمياء الحيوية يكتشفون أن الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (د ن أ) والحمض النووي الريبي (ر ن أ) يؤثران على الوراثة.
أوائل الثمانينيات من القرن العشرين بدأ الكيميائيون في تطوير جهاز يدار بالطاقة الشمسية لإنتاج وقود الهيدروجين بوساطة التحليل الكيميائي للماء.





ورشة الخيميائي ـ رائد المختبر الكيميائي الحديث ـ استخدم الخيميائيون أدوات عديدة مثل الأقماع والمصافي والموازين.
الخيمياء. أثناء الثلاثمائة سنة الأولى بعد ميلاد المسيح قام العلماء والحرفيون في مصر بتطوير وممارسة مهنة كيميائية عُرفت باسم الخيمياء وبنوا عملهم على نظرية تحوّل العناصر لأرسطو، حيث حاولوا تحويل الرصاص والفلزات الأخرى إلى ذهب. وانتقلت الخيمياء إلى شبه الجزيرة العربية في القرن السابع الميلادي ومنها إلى أغلب أوروبا الغربية في القرن الثاني عشر الميلادي. وقد مثلت الخيمياء مصدرًا رئيسيًا للمعرفة الكيميائية حتى القرن السابع عشر الميلادي.

ورغم أن الخيميائيين فشلوا في مسعاهم لصنع الذهب من المواد الأخرى، خلال القرون العديدة التي قضوها في تجاربهم، إلا أنهم اكتسبوا معرفة واسعة بالمواد الكيميائية. ولا يزال الكيميائيون في العصر الحاضر يستخدمون العديد من الأدوات المخبرية والطرق والأساليب التي اخترعها الخيميائيون، مثل الأقماع والمصافي والموازين المستعملة لوزن المواد الكيميائية والجفان (بواتق لصهر المعادن). وتعلّموا تحضير الأحماض والكحولات المختلفة واستعمالها.

كان الكيميائي الأيرلندي روبرت بويل الذي عاش في القرن السابع عشر الميلادي من أوائل الكيميائيين المحدثين وقال إن النظريات لابد أن تدعمها التجارب العملية. وقام بويل بإجراء العديد من التجارب التي أثبتت أن الهواء والتراب والنار والماء ليست عناصر حقيقية. وكان يرى أن أفضل تفسير لخصائص المادة هو الذي تصفه نظرية الذرات التي تقول بأن المادة تتكون من جسيمات صغيرة في حركة دائمة.



الكيمياء العربية. مع نهايات القرن الثالث الهجري وأوائل الرابع أضفى الكيميائيون العرب على هذا العلم أصالة البحث العلمي التجريبي. ومن خلال تجاربهم توصلوا إلى مواد كيميائية جديدة: اكتشفوها أو حضروها مثل حمض الكبريتيك H2SO4 الذي أطلقوا عليه زيت الزاج، وحمض النتريك HNO2 وسموه ماء الفضة وغير ذلك.

وأهم العمليات التي استخدموها في العمليات الكيميائية 1- التسوية 2- التقطير 3- التنقية 4- التسامي 5- التصعيد. وكان أول من استخدم طريقة التصعيد الكندي وقد ألف في ذلك كتابه المعروف باسم تصعيد العطور. كما استخدموا لأول مرة في التاريخ أول ميزان حساس في التجارب المختبرية وذلك نحو عام 190هـ، 805م. كما برعوا في الصناعات الكيميائية التي بدأ عصرها عندهم نحو عام 250هـ، 863م، وصنعوا أول مادة كيميائية مضادة للحريق في منتصف القرن الثالث الهجري أواخر التاسع الميلادي. ونجد أنهم مزجوا الذهب بالفضة، واستخدموا القصدير لمنع التأكسد والصدأ في الأواني النحاسية.

ومن المواد الكيميائية التي اكتشفها العرب ولها دور كبير في الصناعة، الحمض الأوزوني وأطلقوا عليه الماء المحلل. ويستهلك حاليًا بكميات كبيرة في الصناعات المختلفة مثل الماء الملكي والنتروبنزين، والنتروكليسرين. انظر: العلوم عند العرب والمسلمين (الكيمياء).




مضخة هواء بناها روبرت بويل وروبرت هوك في أواسط القرن السابع عشر الميلادي، وقد استخدمت لدراسة الفراغيات.
نظرية اللاهوب. مع أن هذه النظرية ناجحة جدًا إلا أنها استُبْدلت بها نظرية أفضل. ولقد طُوْرت هذه النظرية في بداية القرن الثامن عشر الميلادي بوساطة كيميائي وطبيب ألماني اسمه جورج أيرنست ستال، الذي ذكر بأن جميع المواد الملتهبة تحتوي على عنصر يسمَّى اللاهوب. وبناء على هذه النظرية، فإن اللاهوب ينتج عن المواد عند احتراقها وأن الهواء ضروري للاحتراق لأنه يمتص اللاهوب المنطلق، وأن النبات بدوره يزيل اللاهوب من الهواء، لهذا فإنه يصبح غنيًا بهذه المادة، ويحترق عندما يصير جافًا. وكجميع النظريات الكيميائية الجيدة، فقد قدمت نظرية اللاهوب تفسيرًا لنتائج العديد من التجارب العلمية المختلفة، وكانت مفتاحًا للباحثين ليتجهوا نحو حقول دراسية يمكن أن ينتج عنها اكتشافات جديدة، لهذا السبب فقد لاقت نظرية اللاهوب قبولاً واتساعًا في القرن الثامن عشر الميلادي وقادت للعديد من الاكتشافات في مجال الكيمياء.

طور كيميائيو منتصف وأواخر القرن الثامن عشر الميلادي طرقًا جديدة لعزل ودراسة الغازات، وبنوا عملهم على نظرية اللاهوب وتوصلوا للعديد من الاكتشافات. ففي الخمسينيات من القرن الثامن عشر الميلادي استطاع الكيميائي والطبيب الأسكتلندي جوزيف بلاك التعرف على ثاني أكسيد الكربون، وهو أول غاز عُرف بأنه ذو خواص تختلف عن الهواء. وفي عام 1766م اكتشف الكيميائي والفيزيائي الإنجليزي هنري كافندش غاز الهيدروجين، وبما أن الهيدروجين ملتهب جدًا فقد اعتقد كافندش بأنه لاهوب نقي.

واكتشف الأكسجين كيميائيان كلٌّ على انفراد، أحدهما سويدي هو كارل شيل في أوائل السبعينيات من القرن الثامن عشر الميلادي، والآخر إنجليزي هو جوزيف بريستلي في عام 1774م. وبما أن الخشب يحترق في الأكسجين أكثر منه في الهواء، فقد اعتقد بريستلي بأن الأكسجين يمكنه امتصاص كميات كبيرة من اللاهوب. وقد سمى بريستلي الأكسجين الهواء الذي لا يحتوي على اللاهوب.




أنطوان لافوازيه درس العمليات الكيميائية في القرن الثامن عشر. هذه المحفورة توضح تجربته التي برهن بها أن الماء يتكون من عنصري الأكسجين والهيدروجين.
مساهمات لافوازيه. أحدث أنطوان لافوازيه، وهو كيميائي فرنسي، ثورة في الكيمياء في أواخر القرن الثامن عشر الميلادي. حيث عمل على إعادة العديد من التجارب التي أجراها من سبقوه من الكيميائيين السابقين. فقد أولى لافوازيه عناية كبيرة لوزن المواد التي تدخل في التفاعلات الكيميائية وكذلك لوزن نواتج التفاعلات، ووجد أن وزن نواتج الاحتراق يساوي وزن المواد المتفاعلة الأصلية. وعرف اكتشاف لافوازيه هذا بقانون بقاء الكتلة أو ا(لمادة).

لاحظ لافوازيه أن وزن الهواء الذي يحدث فيه الاحتراق يقل، ووجد أن هذا الفقد في الوزن نتج من أن المادة المحترقة تتحد مع مادة ما وتزيلها من الهواء، وأن هذه المادة المزالة من الهواء هي نفسها الهواء الذى لا يحتوي على اللاهوب وسمّاها لافوازيه الأكسجين. وقد حلت نظرية لافوازيه الأكسجينية للاحتراق محل نظرية اللاهوب.

قام لافوازيه بالاشتراك مع الفلكي وعالم الرياضيات الفرنسي الماركيز دي لابلاس، بتجارب عملية أثبتت أن عملية التنفس في الحيوانات، تشبه كيميائيًا عملية الاحتراق، وتعد دراساتهما للعمليات الكيميائية في الكائنات الحية من بين أوائل التجارب في الكيمياء الحيوية. كما ساعد لافوازيه في وضع أساس النظام الحالي المستخدم في تسمية الكيميائيات. وقد نشر لافوازيه أفكاره حول الاحتراق والتنفس وتسمية المركبات في كتابه الذي نشر عام 1789م بعنوان المعالجة الأولية في الكيمياء وهو أول كتاب مدرسي في الكيمياء.




جون دالتون طور نظريته الذرية التي تستند إلى أن كل عنصر كيميائي له ذراته الخاصة به عام 1803م. وقد وجدت القبول تدريجياً.
نظرية دالتون الذرية. في عام 1803م طوّر الكيميائي الإنجليزي جون دالتون نظريته الذرية التي تنص على أن لكل عنصر كيميائي ذراته الخاصة به. وأكد بأن جميع ذرات أي عنصر تتساوى في الوزن ولها نفس الخواص الكيميائية. وقد استطاعت هذه النظرية توقع وشرح نتائج تجارب مختلفة وقد قبلت تدريجيًا.

وبناءً على نظرية دالتون، فإن عددًا معينًا من ذرات عنصر ما تتحد دائمًا مع عدد ثابت من ذرات عنصر آخر لتكوّن مركبًا. وقد وجد دالتون بأن المواد لا بد أن تتحد بعضها مع بعض بنسب وزنية مماثلة للنسب الوزنية لذراتها. وكان الكيميائيون قد لاحظوا أن المواد النقية تتحد بنسب ثابتة، وسمّوا هذا القانون قانون النسب المحددة أو الثابتة. وقد فسرت نظريّة دالتون هذا القانون.

كان دالتون أول من حسب أوزان ذرات عدد من العناصر. وبحلول عام 1814م، استطاع الكيميائي السويدي جونز جاكوب برزيليوس حساب الأوزان الذرية لعدد من العناصر بدقة. وهو أيضًا الذي بدأ استخدام الحروف الأبجدية كرموز للعناصر.




الجدول الدوري يرتب العناصر حسب أوزانها الذرية. اقترحه دمتري مندليف في عام 1869م، وظهر في مجلة الجمعية الكيميائية الروسية.
تكوين الجدول الدوري للعناصر. في عام 1869م، أعلن كل من الكيميائي الروسي دمتري مندليف والكيميائي الألماني يوليوس لوثر ماير، كل على حدة، عن اكتشاف القانون الدوري للعناصر. ويعتمد هذا القانون على ملاحظتهما أنه عند ترتيب العناصر في جدول حسب أوزانها الذرية فإن العناصر ذات الخواص المتشابهة تظهر في الجدول على فترات أو دورات منتظمة. ورتب الجدول في أعمدة، بحيث يتم تجميع العناصر ذات الخواص المتشابهة معًا. وقد عرف هذا الترتيب فيما بعد بالجدول الدوري للعناصر. ورغم وجود فراغات في الجدول إلا أن مندليف تنبأ بدقة بأنه سيكتشف عناصر ذات خواص معينة تملأ هذه الفراغات. ويلخص الجدول الدوري الحديث كيمياء جميع العناصر المعروفة. انظر: العنصر الكيميائي.



تطور الكيمياء العضوية. منذ عهد الخيمياء قام الباحثون بدراسة مختلف المواد الموجودة في النبات والحيوان، إلا أن هذه المواد العضوية تعذر تحليلها. ولهذا فقد اعتمدت المعلومات الكيميائية المبكرة كليًا تقريبًا على دراسة المواد غير العضوية.


فريدريك فولر حضر أول مادة عضوية من مواد غير عضوية في عام 1828م مبرهناً أن الأشياء الحية ليست هي المصدر الوحيد للمركبات العضوية.
اعتقد أغلب كيميائييّ أوائل القرن التاسع عشر بأنه لا يمكن إنتاج المركبات العضوية إلا بمساعدة قوة حيوية أي قوة حية توجد في النبات والحيوان، وسمّي هذا الاعتقاد بالمذهب الحيوي. وفي عام 1828م، استطاع الكيميائي الألماني فريدريك فولر الحصول على اليوريا (مادة عضوية توجد في البول) بخلط مادتين غير عضويتين وتسخينهما. وبهذا يكون فولر قد حضر أول مادة عضوية مُرَكَّبة من مواد غير عضوية وبرهن بذلك على عدم ضرورة توافر القوة الحيوية لإنتاج المواد العضوية.

خلال القرن التاسع عشر استطاع الكيميائيون فصل العديد من المواد العضوية، واكتشفوا أن أغلب المركبات العضوية تتكوّن أساسًا من الكربون متحدًا مع الهيدروجين والنيتروجين والأكسجين بنسب متفاوتة. وقد لاحظ الكيميائيون أنه في حالات بعينها يوجد مركبان عضويان منفصلان لهما خواص مختلفة لكنهما يتركبان من نفس العناصر وبنفس النسب. وقد سمّى برزيليوس هذ النوع من المركبات باسم المماكبات. وتحتوي المماكبات على نفس الأنواع من الذرات وبنفس العدد ولكنها تختلف في الطريقة التي ترتبط الذرات فيها بعضها ببعض.




السير وليم Aبيركن اكتشف أول صبغة مصنعة، بالمصادفة عام 1856م، حيث حصل على اللون البنفسجي الزاهي عندما كان يريد تحضير مادة الكينين من منتجات قطران الفحم.
في منتصف القرن التاسع عشر بدأ الكيميائيون في إدخال بعض الأفكار حول الصيغة البنائية في نظرياتهم. فقد طوروا نظرية التكافؤ لتوضيح كيفية اتحاد الذرات لتكون الجزيئات. ويشير التكافؤ إلى العدد العادي للروابط التي يمكن لذرة ما تكوينها مع الذرات الأخرى. في عام 1858م، اقترح الكيميائي الألماني فريدريك كيكول فون سترادونتز، أن ذرات الكربون يمكن أن ترتبط مع أربع ذرات أخرى، ويمكنها أن ترتبط بعضها مع بعض لتكوين سلسلة. وبناءً على أفكاره عرف الكيميائيون المركبات العضوية على أنها جزيئات أساسها هيكل يعتمد على روابط من ذرة كربون لأخرى (أي كربون ـ كربون) إضافة للروابط الأخرى التي تربط ذرات الكربون مع ذرات الهيدروجين والنيتروجين والأكسجين وذرات قليلة أخرى.

وبحلول القرن العشرين أصبحت دراسة المواد العضوية فرعًا رئيسيًا في الكيمياء. ومنذ ذلك الوقت استطاع الكيميائيون إنتاج أعداد هائلة من الجزيئات العضوية المعقدة. وبحلول منتصف القرن العشرين، استطاع ملفن كلفين وهو كيميائي أمريكي، حل العديد من خفايا التركيب الضوئي (العملية التي يصنع بها النبات غذاءه) التي ظلت مستعصية لسنوات طويلة. ومنذ منتصف القرن العشرين اكتشف علماء الكيمياء الحيوية كيف تؤثر بعض المواد العضوية مثل الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين د.ن.أ. والحمض النووي الريبي ر.ن.أ. على الوراثة. انظر: الوراثة؛ الحمض النووي.



تطور الكيمياء الفيزيائية. أثناء القرن التاسع عشر درس العديد من الكيميائيين والفيزيائيين خواص المواد وتغيرات الطاقة المصاحبة للتفاعلات الكيميائية. وبنوا عملهم هذا على نظريات تركيب وسلوك الذرات والجزيئات. وقد سميت هذه الدراسة بالكيمياء الفيزيائية.

كان من أوائل من ارتادوا مجال دراسة الكيمياء الفيزيائية الفيزيائي الإيطالي أميديو أفوجادرو. وقد افترض أفوجادرو في عام 1811م، أن الحجوم المتساوية من جميع الغازات تحت نفس الظروف من الحرارة والضغط، تحتوي دائمًا على عدد متساو من الجسيمات. وقد مكنت فرضية أفوجادرو هذه، والتي عرفت باسم قانون أفوجادرو، الكيميائيين من حساب الأوزان الذرية النسبية. وفي أواخر القرن التاسع عشر طور علماء الكيمياء الفيزيائية النظرية الحركية للغازات التي تصف الغازات بأنها جسيمات في حركة عشوائية دائمة، وتفسر كيف أن السرعة العالية لهذه الجسيمات تحدد الضغط والحرارة والخواص الأخرى للغازات.

في منتصف القرن التاسع عشر تقريبًا، صاغ الفيزيائيون المبادئ التي تتعلق بتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية وبالعكس. وبهذا وضعوا أسس ـ الدينامية الحرارية الكيميائية ـ التي تُعنى بدراسة التغيرات الحرارية التي تصاحب العديد من التفاعلات.

أثناء السبعينيات من القرن التاسع عشر طوّر العالم الأمريكي جوزيا ويلارد جيبس قاعدة الطور والتي تفسر العلاقة الفيزيائية بين أطوار المادة الصلبة والسائلة والغازية. وقد اعتمد الكيميائي الهولندي جاكوب فانت هوف على قاعدة الطور في دراسته للطريقة التي تتكون بها البلورات في المحاليل المختلفة. وقادت الدراسة التي قام بها هوف إلى تطوير الكيمياء الفراغية أو الكيمياء المجسمة التي تدرس ترتيب الذرات في الجزيئات.

في أواخر القرن التاسع عشر توصل الكيميائيان الفيزيائيان السويدي سفانتي أ.أرهينس. والألماني فلهلم أستوفالد إلى أن الكهرباء تنتقل عبر المحاليل بوساطة ذرات أو جزيئات ذات شحنة تسمّى الأيونات. وقد كتب أوستوالد أحد أوائل الكتب المدرسية في الكيمياء الكهربائية وهو دراسة التغيرات الكيميائية المرتبطة بالقوى الكهربائية.

ومنذ أوائل القرن العشرين الميلادي وجه الكيميائيون والفيزيائيون دراساتهم نحو تركيب الذرات والجزيئات. ففي عام 1913م اقترح الفيزيائي الدنماركي نيلز بور نموذجًا للذرة تنتظم فيه الإلكترونات في مدارات متوالية الاتساع حول نواة صغيرة تتكون من البروتونات والنيوترونات. وقد اعتقد بور بأن العديد من خواص العنصر تعتمد على عدد الإلكترونات الموجودة في المدار الخارجي لذرة ذلك العنصر.

ولقد ساعد نموذج بور للذرة على تفسير الكيفية التي تتفاعل بها الذرات مع الضوء والأشكال الأخرى للإشعاع. فقد افترض بور أن امتصاص وابتعاث (إطلاق) الضوء بوساطة الذرة يستلزم تغييرًا في وضع وطاقة الإلكترون فيقفز من مدار لآخر. وقد استطاع الكيميائيون الحصول على الكثير من المعلومات حول تركيب الجزيئات عن طريق قياس كمية الإشعاع التي تمتصها والتي تنبعث منها.

وفي عام 1916م، افترض الكيميائي الأمريكي جيلبرت لويس أن الرابطة بين ذرتين في جزيء تتكون من زوج من الإلكترونات تقتسمه كلتا الذرتين. وقد أدت فرضيته هذه إلى نظرية الزوج الإلكتروني والتي تفسر خصائص ترابط العناصر اعتمادًا على ترتيب إلكتروناتها. انظر: الرابطة.



نمو الكيمياء الصناعية. بدأ استغلال المعرفة الكيميائية من قبل الصناعيين مع بداية الكيمياء نفسها. ففي أثناء القرن الثامن عشر الميلادي استخدم صانعو الأحماض والقلويات والصابون، المعلومات الكيميائية المتوفرة في تحسين منتجاتهم وطرق إنتاجهم. وخلال القرن التاسع عشر، أنتجت المصانع كميات كبيرة من الكيميائيات، مثل حمض الكبريتيك وكربونات الصوديوم ومساحيق التبييض. وفي عام 1856م، استطاع الكيميائي الإنجليزي السير وليم هنري بيركن إنتاج أول صبغة مصنعة هي البنفسجي الزاهي وتعرف أيضًا باسم الأنيلين البنفسجي. وقد أدت شعبية هذه الصبغة إلى تحضير صبغات أخرى لسد حاجة صناعة النسيج.

وبحلول القرن العشرين أصبحت ألمانيا تمتلك أكثر الصناعات الكيميائية تطورًا في العالم. ففي عام 1910م، سجل الكيميائي الألماني فرتز هابر أول براءة اختراع لطريقة إنتاج النشادر من الهيدروجين والنيتروجين. وقد أدّى اختراعه هذا إلى تصنيع الأسمدة الكيميائية الزراعية على نطاق واسع. وخلال الحربين العالميتين الأولى (1914م - 1918م) والثانية (1939 - 1945م)، توسعت الصناعات الكيميائية في العديد من الأقطار توسعًا كبيرًا لمقابلة احتياجات الحرب للكثير من المواد، مثل المتفجرات والأدوية والمطاط الصناعي.

وبعد انتهاء الحرب العالمية الثانية استمرت الصناعات الكيميائية في إنتاج أنواع مختلفة من البضائع للمستهلكين. وأدّى تطوير مواد جديدة إلى الانتشار الواسع لاستخدام البلاستيك والألياف الاصطناعية، مثل النيلون والبوليستر. وإضافة لذلك أدت الاكتشافات إلى توفر العديد من الأدوية الجديدة ومواد حفظ الأطعمة والأسمدة والمبيدات.



البحوث الجارية. تعتبر الكيمياء الحيوية من أنشط الحقول العلمية في مجال البحث العلمي في الوقت الحاضر. وقد مكنت الأجهزة الحديثة الكيميائيين الحيويين من دراسة أثر الكيميائيات على أي كائن حي دون إتلاف ذلك الكائن. ويهتم الكيميائيون الحيويون بدراسة المواد التي يشتبه في أنها مسببة للسرطان أو تضر بالخصائص الوراثية، لتحديد الخصائص الجزيئية التي تتسبب في الآثار الضارة. كما يدرس كيميائيون آخرون كيفية تأثير الملوثات الكيميائية على البيئة وكيفية تفكّكها وتحللها إلى مواد أخرى.

تعتبر الكيمياء الاصطناعية حقلاً آخر نشطًا في مجال الأبحاث، حيث يحضّر الكيميائيون عدة آلاف من المركبات الجديدة كل عام. وقد اكتشفوا عوامل كيميائية يمكن استخدامها في التفاعلات لإضافة مجموعات خاصة من الذرات لأجزاء محددة من الجزيئات الأخرى. كما يصمم الباحثون جزيئات جديدة ويستخدمون هذه العوامل في سلسلة من التفاعلات لبناء مركبات جديدة. وقد أدت هذه التقنيات لتحضير العديد من الأدوية.

تُسمَّى دراسة خواص سطوح المركبات الكيميائية كيمياء السطوح، وهي أحد الحقول ذات المستقبل الواعد في مجال البحوث في الوقت الحاضر. وقد تبين للكيميائيين أن خواص السطح هي التي ترجع إليها مقدرة مواد خاصة تُسمَّى المواد الحفَّازة، والتي تستخدم لزيادة سرعة التفاعلات الكيميائية. ويعمل الكيميائيون في الوقت الحاضر لتطوير خلية كيميائية تستخدم ضوء الشمس لتفكيك جزيئات الماء إلى أكسجين وهيدروجين، يمكن أن يستخدم وقودًا. وقد تصبح هذه الخلايا يومًا ما مصدرًا ثمينًا للطاقة.



الصناعة الكيميائية

ملفن كلفين الفائز بجائزة نوبل في الكيمياء عام 1961م. استخدم عنصرًا مشعًا كاشفًا (أو مرشدًا) لتتبع التفاعلات الكيميائية التي تحدث أثناء التمثيل الضوئي.
تؤدي الصناعة الكيميائية دورًا مهمًا في إنتاج العديد من السلع المصنعة. وتمد الصناعة الكيميائية الصناعات الأخرى بأنواع مختلفة من المواد، كما تنتج العديد من المواد الكيميائية التي ينتفع بها مباشرة. وتشمل المنتجات الرئيسية للصناعة الكيميائية، المنظفات والأدوية والزجاج والسبائك ومنتجات الورق والبلاستيك والألياف الاصطناعية والأسمدة والأصباغ والمواد الحافظة للأطعمة.

تُسْتَخْدم أغلب المنتجات الرئيسية للصناعة الكيميائية مواد أساسية في تصنيع منتجات أخرى. فحمض الكبريتيك مثلاً، وهو المنتج الأساسي في العديد من الأقطار، يستخدم في إنتاج الأسمدة، وفي إنتاج مواد كيميائية أخرى. ومن المواد الكيميائية الأساسية الكلور والنيتروجين والأكسجين وكذلك القلويات، مثل هيدروكسيد الصوديوم والجير (الكلس) والمواد الكيميائية المستخدمة في إنتاج البلاستيك. وقد تركز إنتاج المواد الكيميائية في الوقت الحاضر في أيدي الشركات المتعددة الجنسيات، التي لها مصانع ومكاتب في عدد من الأقطار. وتحاول هذه الشركات إنشاء مصانعها في الأقطار التي تتوفر فيها المواد الخام، وذلك لتخفيض التكلفة. وتنتج مصانع الشركات المتعددة الجنسيات، العديد من المواد الكيميائية الأساسية في الأقطار النامية، ولكن المواد الكيميائية التي تحتاج لطرق إنتاج متقدمة تنتج عادة في الدول الصناعية.

تجري أغلب الشركات الكيميائية الكبيرة برامج أبحاث وتطوير خاصة بها. ويعمل الكيميائيون في هذه البرامج على تطوير مواد جديدة واستحداث طرق استخدام جديدة للمواد الكيميائية المعروفة، وكذلك تحسين طرق وتقنية الإنتاج الكيميائي.


مجهر المسح الأنبوبي الذي يعطي الكيميائيين نظرات جديدة حول الخصائص السطحية للمواد.
ورافق النجاح الذي حققته الصناعة الكيميائية مشاكل تتعلق بالسلامة وتلوث البيئة. فاستخدام المبيدات بكميات كبيرة مثلاً؛ أدّى إلى تلوث التربة والماء. وإضافة لذلك فإن إنتاج بعض الكيميائيات نتج عنه نفايات ضارة يحتم ضمان سلامة التخلص منها اتخاذ احتياطات خاصة. فقد أدّى تسرب هذه النفايات الخطيرة من أماكن حفظها إلى تهديد صحة سكان المناطق المجاورة لهذه الأماكن.

ومنذ منتصف السبعينيات من القرن العشرين وقع العديد من الحوادث في مصانع المواد الكيميائية في العديد من الأقطار، مما أدّى إلى تسرب مواد خطيرة على الصحة وملوثة للبيئة المحيطة.

وقد كان على الشركات الكيميائية أن تنفق أموالاً طائلة في محاولة منها لحل المشاكل البيئية ومشاكل السلامة التي تسببت فيها. فهي تعمل مثلا على تطوير مبيدات تتحلل بسرعة إلى مواد غير ضارة بالبيئة، كما تعمل على تطوير طرق أكثر سلامة للتخلص من النفايات الكيميائية، ولتنظيف أماكن حفظ هذه النفايات. وإضافة لذلك، فقد حسنت هذه الشركات من إجراءات السلامة في مصانعها الكيميائية، محاولة منها لمنع وقوع الحوادث