تاریخ دانش شیمی

تاریخ دانش شیمی

شیمی، علمی است که به خواص، ترکیب و ساختار مواد (که به عنوان عناصر و ترکیبات تعریف می‌شوند)، دگرگونی‌هایی که آنها متحمل می‌شوند و انرژی آزاد یا جذب شده در طی این فرآیندها می‌پردازد. هر ماده ای، چه به طور طبیعی و چه به طور مصنوعی تولید شده باشد، از یک یا چند نوع از صدها گونه اتم تشکیل شده است که به عنوان عناصر شناخته شده اند. اگرچه این اتم‌ها به نوبه خود از ذرات بنیادی بیشتری تشکیل شده‌اند، اما بلوک‌های اساسی سازنده مواد شیمیایی هستند. برای مثال، هیچ مقدار اکسیژن، جیوه یا طلا کوچکتر از یک اتم آن ماده وجود ندارد. بنابراین، شیمی نه با حوزه زیر اتمی، بلکه به خواص اتم ها و قوانین حاکم بر ترکیب آنها و چگونگی استفاده از دانش این ویژگی ها برای دستیابی به اهداف خاص می پردازد.

چالش بزرگ در شیمی، ایجاد توضیحی منسجم از رفتار پیچیده مواد، چرایی ظاهر شدن آن‌ها ، ویژگی‌های پایدار آن‌ها و اینکه چه چیزی به آنها خواص پایدار می دهد و چگونه فعل و انفعالات بین مواد مختلف می تواند باعث تشکیل مواد جدید و از بین بردن مواد قدیمی شود. شیمی‌دانان برای درک جهان مادی با عبارات عقلانی، برای ایجاد نظریه‌هایی در مورد ماده که به طور رضایت‌بخشی هم پایداری و هم تغییر را توضیح می‌دهند، تلاش کرده‌اند. مجموعه منظم اتم های تخریب ناپذیر در مولکول های کوچک و بزرگ، یا شبکه های گسترده اتم های در هم آمیخته، به عنوان پایه ماندگاری پذیرفته شده است، در حالی که سازماندهی مجدد اتم ها یا مولکول ها به ترتیبات مختلف در پس نظریه های تغییر نهفته است. بنابراین شیمی شامل مطالعه ترکیب اتمی و معماری ساختاری مواد و همچنین برهمکنش های متنوع بین مواد است که می تواند منجر به واکنش های ناگهانی و اغلب شدید شود.

شیمی همچنین به استفاده از مواد طبیعی و ایجاد مواد مصنوعی می پردازد. پخت و پز، تخمیر، شیشه سازی و متالورژی همگی فرآیندهای شیمیایی هستند که از آغاز تمدن آغاز شده اند. امروزه وینیل، تفلون، کریستال های مایع، نیمه هادی ها و ابررساناها نشان دهنده ثمرات فناوری شیمیایی هستند. قرن بیستم شاهد پیشرفت‌های چشمگیری در درک شیمی شگفت‌انگیز و پیچیده موجودات زنده بود و تفسیر مولکولی سلامت و بیماری نویدبخش است. شیمی مدرن، با کمک ابزارهای پیشرفته روزافزون، موادی را به کوچکی اتم های منفرد و به بزرگی و پیچیده بودن DNA (اسید دی اکسی ریبونوکلئیک)، که حاوی میلیون ها اتم است، مطالعه می کند. حتی می توان مواد جدید را طوری طراحی کرد که ویژگی های دلخواه را داشته باشند و سپس سنتز شوند. سرعت انباشته شدن دانش شیمیایی قابل توجه است. در طول زمان بیش از 8000000 ماده شیمیایی مختلف، طبیعی و مصنوعی، شناسایی و تولید شده است. این تعداد تا سال 1965 کمتر از 500000 نفر بود.

چالش های فکری شیمی ارتباط تنگاتنگی با مسایل مرتبط با صنعت دارد. در اواسط قرن 19، شیمیدان آلمانی، یوستوس فون لیبیگ، اظهار داشت که ثروت یک ملت را می توان با مقدار اسید سولفوریک تولید شده اندازه گیری کرد. این اسید که برای بسیاری از فرآیندهای تولید ضروری است که امروزه به عنوان محصول شیمیایی پیشرو در کشورهای صنعتی باقی مانده است. همانطور که لیبیگ تشخیص داد، کشوری که مقادیر زیادی اسید سولفوریک تولید می کند، کشوری با صنعت شیمیایی قوی و در کل اقتصاد قوی است. تولید، توزیع و استفاده از طیف وسیعی از محصولات شیمیایی در همه کشورهای بسیار توسعه یافته مشترک است. در واقع، می‌توان گفت که «عصر آهن» تمدن در حال جایگزینی با «عصر پلیمری» است، زیرا در برخی کشورها حجم کل پلیمرهای تولید شده از آهن بیشتر است.

دامنه شیمی

گذشته است روزهایی که یک نفر می تواند امیدوار باشد که دانش دقیقی از تمام زمینه های شیمی داشته باشد. کسانی که علایق خود را در حوزه های خاصی از شیمی دنبال می کنند با دیگرانی که علایق مشترکی دارند ارتباط برقرار می کنند. با گذشت زمان گروهی از شیمیدانان با علایق تحقیقاتی تخصصی به اعضای موسس یک حوزه تخصصی تبدیل می شوند. حوزه‌های تخصصی که در اوایل تاریخ شیمی پدیدار شدند، مانند شیمی آلی، شیمی معدنی، شیمی فیزیک، شیمی تجزیه و شیمی صنعتی، همراه با بیوشیمی، همچنان مورد توجه عمومی قرار دارند. با این حال، رشد زیادی در زمینه پلیمر، محیط زیست، و شیمی دارویی در طول قرن بیستم وجود داشته است. علاوه بر این، تخصص های جدید همچنان ظاهر می شوند، به عنوان مثال، آفت کش ها، پزشکی قانونی، و شیمی کامپیوتر.

شیمی تجزیه

بیشتر موادی که روی زمین وجود دارند، مانند چوب، زغال سنگ، مواد معدنی یا هوا، مخلوطی از بسیاری از مواد شیمیایی متفاوت و متمایز هستند. هر ماده شیمیایی خالص (به عنوان مثال، اکسیژن، آهن یا آب) دارای مجموعه ای از خواص است که به آن هویت شیمیایی می دهد. به عنوان مثال، آهن یک فلز معمولی سفید نقره ای است که در دمای 1535 درجه سانتیگراد ذوب می شود، بسیار چکش خوار است و به راحتی با اکسیژن ترکیب می شود و مواد رایج هماتیت و مگنتیت را تشکیل می دهد. تشخیص آهن در مخلوطی از فلزات، یا در ترکیبی مانند مگنتیت، شاخه ای از شیمی تجزیه است که آنالیز کیفی نامیده می شود. اندازه گیری مقدار واقعی یک ماده خاص در یک ترکیب یا مخلوط را آنالیز کمی می گویند. برای مثال، اندازه‌گیری تحلیلی کمی مشخص کرده است که آهن 72.3 درصد از نظر جرمی مگنتیت را تشکیل می‌دهد، ماده معدنی که معمولاً به صورت ماسه سیاه در امتداد سواحل و سواحل رودخانه‌ها دیده می‌شود. طی سال‌ها، شیمی‌دانان واکنش‌های شیمیایی را کشف کرده‌اند که نشان‌دهنده وجود چنین مواد عنصری با تولید محصولات به راحتی قابل مشاهده و شناسایی است. اگر آهن به مقدار 1 قسمت در میلیون یا بیشتر در نمونه وجود داشته باشد، می‌توان آن را با روش‌های شیمیایی تشخیص داد. برخی از آزمایش های کیفی بسیار ساده وجود عناصر شیمیایی خاص را در مقادیر کمتر نشان می دهد. رنگ زردی که توسط سدیم به شعله منتقل می‌شود، در صورتی قابل مشاهده است که نمونه مشتعل شده به اندازه یک میلیاردم یک گرم سدیم داشته باشد. چنین آزمایش‌های تحلیلی به شیمیدانان این امکان را داده است که انواع و مقادیر ناخالصی‌ها را در مواد مختلف شناسایی کرده و خواص مواد بسیار خالص را تعیین کنند. مواد مورد استفاده در آزمایشات آزمایشگاهی معمولی معمولاً دارای سطوح ناخالصی کمتر از 0.1 درصد هستند. برای کاربردهای خاص، می توان مواد شیمیایی را خریداری کرد که دارای ناخالصی کمتر از 0.001 درصد هستند. شناسایی مواد خالص و تجزیه و تحلیل مخلوط های شیمیایی همه رشته های شیمیایی دیگر را قادر می سازد تا شکوفا شوند.

اهمیت شیمی تجزیه هرگز به اندازه امروز نبوده است. تقاضا در جوامع مدرن برای انواع غذاهای ایمن، کالاهای مصرفی مقرون به صرفه، انرژی فراوان و فن آوری های صرفه جویی در نیروی کار، بار زیادی بر محیط زیست وارد می کند. تمام تولیدات شیمیایی علاوه بر مواد مورد نظر، مواد زائد تولید می کنند و دفع زباله همیشه با دقت انجام نشده است. اختلال در محیط زیست از آغاز تمدن رخ داده است و مشکلات آلودگی با رشد جمعیت جهان افزایش یافته است. تکنیک های شیمی تجزیه به شدت بر روی حفظ یک محیط خوش خیم تکیه می کنند. مواد نامطلوب موجود در آب، هوا، خاک و غذا باید شناسایی شوند، محل منشأ آنها مشخص شود و روش‌های ایمن و مقرون به صرفه برای حذف یا خنثی‌سازی آنها ایجاد شود. هنگامی که مقدار یک آلاینده خطرناک ارزیابی شد، تشخیص مواد مضر در غلظت های بسیار کمتر از سطح خطر مهم می شود. شیمیدانان تحلیلی به دنبال توسعه تکنیک ها و ابزارهای دقیق و حساس هستند.

ابزارهای تحلیلی پیچیده، که اغلب با رایانه‌ها همراه می‌شوند، دقتی را که شیمیدان‌ها می‌توانند مواد را شناسایی کنند، بهبود بخشیده و محدودیت‌های تشخیص را کاهش داده‌اند. یک روش تحلیلی در استفاده عمومی، کروماتوگرافی گازی است که اجزای مختلف یک مخلوط گازی را با عبور دادن مخلوط از یک ستون بلند و باریک از مواد جاذب اما متخلخل جدا می‌کند. گازهای مختلف برهمکنش متفاوتی با این ماده جاذب دارند و با سرعت های متفاوتی از ستون عبور می کنند. هنگامی که گازهای جداگانه از ستون خارج می شوند، می توان آنها را به ابزار تحلیلی دیگری به نام طیف سنج جرمی فرستاد که مواد را بر اساس جرم یون های تشکیل دهنده آنها جدا می کند. یک کروماتوگراف گازی ترکیبی-طیف‌سنج جرمی می‌تواند به سرعت اجزای منفرد یک مخلوط شیمیایی را شناسایی کند که غلظت آن ممکن است از چند قسمت در میلیارد بیشتر نباشد. حساسیت های مشابه یا حتی بیشتر را می توان تحت شرایط مساعد با استفاده از تکنیک هایی مانند جذب اتمی، پلاروگرافی و فعال سازی نوترون به دست آورد. نرخ نوآوری ابزاری به حدی است که ابزارهای تحلیلی اغلب در عرض 10 سال از معرفی آنها منسوخ می شوند. ابزارهای جدیدتر دقیق‌تر و سریع‌تر هستند و به طور گسترده در زمینه‌های شیمی محیطی و دارویی استفاده می‌شوند.

شیمی معدنی

شیمی مدرن، که کم و بیش از پذیرش قانون بقای جرم در اواخر قرن هجدهم شروع شد، در ابتدا بر روی آن دسته از موادی متمرکز شد که با موجودات زنده مرتبط نبودند. مطالعه چنین موادی که معمولاً کربن کمی دارند یا اصلاً کربن ندارند، رشته شیمی معدنی را تشکیل می دهد. کار اولیه به دنبال شناسایی مواد ساده – یعنی عناصر – بود که اجزای تشکیل دهنده همه مواد پیچیده تر هستند. برخی از عناصر مانند طلا و کربن از دوران باستان شناخته شده بوده اند و بسیاری دیگر در طول قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم کشف و مورد مطالعه قرار گرفتند. امروزه بیش از 100 مورد شناخته شده است. مطالعه چنین ترکیبات معدنی ساده ای مانند کلرید سدیم (نمک معمولی) به برخی از مفاهیم اساسی شیمی مدرن منجر شده است، قانون نسبت های معین یک مثال قابل توجه ارائه می دهد. این قانون بیان می‌کند که برای اکثر مواد شیمیایی خالص، عناصر تشکیل‌دهنده همیشه به نسبت جرمی ثابت هستند (به عنوان مثال، هر 100 گرم نمک حاوی 39.3 گرم سدیم و 60.7 گرم کلر است). شکل کریستالی نمک، که به نام هالیت شناخته می شود، از اتم های سدیم و کلر در هم آمیخته شده است، یک اتم سدیم برای هر یک از کلر. چنین ترکیبی که صرفاً از ترکیب دو عنصر تشکیل شده است، به عنوان یک ترکیب دوتایی شناخته می شود. ترکیبات دوتایی در شیمی معدنی بسیار رایج هستند و تنوع ساختاری کمی از خود نشان می دهند. به همین دلیل، با وجود تعداد زیاد عناصری که ممکن است با یکدیگر واکنش دهند، تعداد ترکیبات معدنی محدود است. اگر سه یا چند عنصر در یک ماده ترکیب شوند، امکانات ساختاری بیشتر می شود.

پس از یک دوره سکون در اوایل قرن بیستم، شیمی معدنی دوباره به یک حوزه تحقیقاتی هیجان انگیز تبدیل شده است. ترکیبات بور و هیدروژن که به عنوان بوران شناخته می شوند، دارای ویژگی های ساختاری منحصر به فردی هستند که باعث تغییر تفکر در مورد معماری مولکول های معدنی شده است. برخی از مواد معدنی ویژگی‌های ساختاری دارند که مدت‌ها تصور می‌شد فقط در ترکیبات کربنی وجود دارند و حتی چند پلیمر معدنی نیز تولید شده‌اند. سرامیک ها موادی هستند که از عناصر معدنی ترکیب شده با اکسیژن تشکیل شده اند. قرن‌هاست که اشیاء سرامیکی با حرارت دادن قوی ظرفی که از خمیر مواد معدنی پودری تشکیل شده است ساخته می‌شوند. اگرچه سرامیک ها در دماهای بسیار بالا کاملاً سخت و پایدار هستند، اما معمولاً شکننده هستند. در حال حاضر، سرامیک های جدید به اندازه کافی قوی برای استفاده به عنوان پره های توربین در موتورهای جت در حال تولید هستند. این امید وجود دارد که روزی سرامیک ها جایگزین فولاد در اجزای موتورهای احتراق داخلی شوند. در سال 1987 یک سرامیک حاوی ایتریم، باریم، مس و اکسیژن با فرمول تقریبی YBa2Cu3O7 به عنوان یک ابررسانا در دمای حدود 100 کلوین یافت شد. یک ابررسانا در برابر عبور جریان الکتریکی مقاومتی ندارد نوع سرامیک به خوبی می تواند کاربرد گسترده ای در کاربردهای الکتریکی و مغناطیسی پیدا کند. ساخت یک سرامیک ابررسانا آنقدر ساده است که می توان آن را در آزمایشگاه دبیرستان تهیه کرد. کشف آن غیرقابل پیش بینی بودن شیمی را نشان می دهد، زیرا اکتشافات اساسی هنوز با تجهیزات ساده و مواد ارزان قیمت قابل انجام است.

بسیاری از جالب ترین پیشرفت ها در شیمی معدنی شکاف را با سایر رشته ها پر می کند. شیمی آلی فلزی ترکیباتی را بررسی می کند که حاوی عناصر معدنی همراه با واحدهای غنی از کربن هستند. بسیاری از ترکیبات آلی فلزی نقش مهمی در شیمی صنعتی به عنوان کاتالیزور ایفا می کنند، که موادی هستند که می توانند سرعت یک واکنش را حتی زمانی که فقط در مقادیر بسیار کم وجود داشته باشند، تسریع کنند. موفقیت هایی در استفاده از چنین کاتالیزورهایی برای تبدیل گاز طبیعی به مواد شیمیایی مرتبط اما مفیدتر حاصل شده است. شیمیدانان همچنین مولکولهای معدنی بزرگی ایجاد کرده اند که حاوی هسته ای از اتم های فلزی مانند پلاتین است که توسط پوسته ای از واحدهای شیمیایی مختلف احاطه شده است. برخی از این ترکیبات، که به عنوان خوشه های فلزی نامیده می شوند، دارای ویژگی های فلزات هستند، در حالی که برخی دیگر به روش هایی مشابه سیستم های بیولوژیکی واکنش نشان می دهند. مقادیر کمی از فلزات در سیستم های بیولوژیکی برای فرآیندهایی مانند تنفس، عملکرد عصبی و متابولیسم سلولی ضروری هستند. در فرآیندهایی از این دست، موضوع مطالعه شیمی معدنی زیستی است. اگرچه زمانی تصور می‌شد که مولکول‌های آلی ویژگی متمایز شیمیایی موجودات زنده هستند، اما اکنون مشخص شده است که شیمی معدنی نیز نقش حیاتی ایفا می‌کند.

شیمی آلی

ترکیبات آلی بر اساس شیمی کربن هستند. کربن در تنوع و گستردگی ساختارهایی که می تواند از اتصالات سه بعدی اتم های آن حاصل شود، منحصر به فرد است. فرآیند فتوسنتز دی اکسید کربن و آب را به اکسیژن و ترکیباتی به نام کربوهیدرات تبدیل می کند. هم سلولز، ماده ای که به گیاهان استحکام ساختاری می دهد و هم نشاسته، محصول ذخیره انرژی گیاهان، کربوهیدرات های پلیمری هستند. کربوهیدرات‌های ساده تولید شده توسط فتوسنتز، مواد خام بی‌شمار ترکیبات آلی موجود در قلمرو گیاهی و حیوانی را تشکیل می‌دهند. هنگامی که با مقادیر متغیر هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن، گوگرد، فسفر و سایر عناصر ترکیب می‌شود، امکانات ساختاری ترکیبات کربن نامحدود می‌شود و تعداد آنها بسیار بیشتر از کل ترکیبات غیرآلی است. تمرکز اصلی شیمی آلی جداسازی، خالص سازی و مطالعه ساختاری این مواد طبیعی است. بسیاری از محصولات طبیعی مولکول های ساده ای هستند. به عنوان مثال می توان به اسید فرمیک (HCO2H) در مورچه ها، الکل اتیلیک  (C2H5OH) در تخمیر میوه و اسید اگزالیک (C2H2O4) در برگ های ریواس اشاره کرد. سایر محصولات طبیعی مانند پنی سیلین، ویتامین B12، پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک بسیار پیچیده هستند. جداسازی فرآورده های طبیعی خالص از ارگانیسم میزبانشان به دلیل غلظت های پایینی که ممکن است در آن وجود داشته باشند، دشوار می شود. با این حال، هنگامی که آنها به شکل خالص جدا می شوند، تکنیک های مدرن ابزاری می توانند جزئیات ساختاری را برای مقادیری به وزن یک میلیونم گرم نشان دهند. همبستگی خواص فیزیکی و شیمیایی ترکیبات با ویژگی‌های ساختاری آنها در حوزه شیمی آلی فیزیکی است. هنگامی که خواصی که به یک ماده توسط واحدهای ساختاری خاص به نام گروه‌های عاملی اعطا می‌شود، شناخته شد، می‌توان مولکول‌های جدیدی را طراحی کرد که ممکن است خواص دلخواه را از خود نشان دهند. آماده سازی، تحت شرایط آزمایشگاهی کنترل شده، از ترکیبات خاص به عنوان شیمی مصنوعی شناخته می شود. سنتز برخی محصولات آسان تر از جمع آوری و خالص سازی از منابع طبیعی است. به عنوان مثال، تن ها ویتامین C سالانه سنتز می شود. بسیاری از مواد مصنوعی دارای خواص جدیدی هستند که آنها را به ویژه مفید می کند. پلاستیک ها مانند بسیاری از داروها و مواد شیمیایی کشاورزی نمونه بارز آن هستند. یک چالش مداوم برای شیمیدانان مصنوعی، پیچیدگی ساختاری اکثر مواد آلی است. برای سنتز یک ماده مورد نظر، اتم ها باید به ترتیب صحیح و با روابط سه بعدی مناسب در کنار هم قرار گیرند. همانطور که یک توده معین از الوار و آجر را می‌توان به روش‌های مختلف برای ساخت خانه‌هایی با طرح‌های مختلف مونتاژ کرد، همچنین می‌توان تعداد ثابتی از اتم‌ها را به روش‌های مختلف به یکدیگر متصل کرد تا مولکول‌های متفاوتی تولید کنند. تنها یک آرایش ساختاری از بسیاری از احتمالات، با یک مولکول طبیعی یکسان خواهد بود. به عنوان مثال، آنتی بیوتیک اریترومایسین حاوی 37 کربن، 67 اتم هیدروژن و 13 اتم اکسیژن به همراه یک اتم نیتروژن است. حتی زمانی که این 118 اتم به ترتیب مناسب به یکدیگر متصل شوند، می توانند 262144 ساختار مختلف را ایجاد کنند که تنها یکی از آنها ویژگی های اریترومایسین طبیعی را دارد. فراوانی زیاد ترکیبات آلی، نقش اساسی آنها در شیمی حیات و تنوع ساختاری آنها، مطالعه آنها را به ویژه چالش برانگیز و هیجان انگیز کرده است. شیمی آلی بزرگترین حوزه تخصصی در میان رشته های مختلف شیمی است.

بیوشیمی

همانطور که درک شیمی بی جان در طول قرن نوزدهم رشد کرد، تلاش ها برای تفسیر فرآیندهای فیزیولوژیکی موجودات زنده از نظر ساختار مولکولی و واکنش پذیری باعث ایجاد رشته بیوشیمی شد. بیوشیمی دانان از تکنیک ها و تئوری های شیمی برای بررسی اساس مولکولی حیات استفاده می کنند. یک ارگانیسم با این فرض مورد بررسی قرار می گیرد که فرآیندهای فیزیولوژیکی آن پیامد هزاران واکنش شیمیایی است که به شیوه ای بسیار یکپارچه رخ می دهند. بیوشیمی‌ها، از جمله، اصولی را ایجاد کرده‌اند که زیربنای انتقال انرژی در سلول‌ها، ساختار شیمیایی غشای سلولی، کدگذاری و انتقال اطلاعات ارثی، عملکرد عضلانی و عصبی، و مسیرهای بیوسنتزی هستند. در واقع، مشخص شده است که بیومولکول‌های مرتبط نقش‌های مشابهی را در ارگانیسم‌هایی که مانند باکتری‌ها و انسان‌ها متفاوت هستند، ایفا می‌کنند. با این حال، مطالعه زیست مولکول‌ها مشکلات زیادی را به همراه دارد. چنین مولکول هایی اغلب بسیار بزرگ هستند و پیچیدگی ساختاری زیادی از خود نشان می دهند. علاوه بر این، واکنش های شیمیایی که آنها متحمل می شوند معمولاً بسیار سریع هستند. جداسازی دو رشته DNA، برای مثال، در یک میلیونم ثانیه اتفاق می افتد. چنین سرعت های سریع واکنش تنها از طریق عمل واسطه ای مولکول های زیستی به نام آنزیم امکان پذیر است. آنزیم‌ها پروتئین‌هایی هستند که توانایی‌های شتاب‌دهنده قابل توجه خود را مدیون ساختار شیمیایی سه‌بعدی خود هستند. جای تعجب نیست که اکتشافات بیوشیمیایی تأثیر زیادی بر درک و درمان بیماری داشته است. بسیاری از بیماری های ناشی از خطاهای ذاتی متابولیسم در نقایص ژنتیکی خاص ردیابی شده اند. سایر بیماری ها ناشی از اختلال در مسیرهای طبیعی بیوشیمیایی هستند.

اغلب، علائم را می توان با داروها کاهش داد، و کشف، نحوه عمل، و تخریب عوامل درمانی یکی دیگر از زمینه های اصلی مطالعه در بیوشیمی است. عفونت های باکتریایی را می توان با سولفونامیدها، پنی سیلین ها و تتراسایکلین ها درمان کرد و تحقیقات در مورد عفونت های ویروسی اثربخشی آسیکلوویر را در برابر ویروس تبخال نشان داده است. در حال حاضر علاقه زیادی به جزئیات سرطان زایی و شیمی درمانی سرطان وجود دارد. به عنوان مثال، مشخص است که سرطان زمانی می تواند ایجاد شود که مولکول های سرطان زا، یا به اصطلاح سرطان زا، با اسیدهای نوکلئیک و پروتئین ها واکنش نشان دهند و در حالت طبیعی عمل آنها اختلال ایجاد کنند. محققان آزمایش‌هایی را توسعه داده‌اند که می‌تواند مولکول‌هایی را که احتمالاً سرطان‌زا هستند، شناسایی کند. البته امید این است که با درک کاملتر اساس بیوشیمیایی این بیماری، پیشرفت در پیشگیری و درمان سرطان تسریع شود.

اساس مولکولی فرآیندهای بیولوژیکی یکی از ویژگی های اساسی رشته های در حال رشد سریع زیست شناسی مولکولی و بیوتکنولوژی است. شیمی روش هایی را برای تعیین سریع و دقیق ساختار پروتئین ها و DNA ایجاد کرده است. علاوه بر این، روش‌های آزمایشگاهی کارآمد برای سنتز ژن‌ها در حال ابداع است. در نهایت ممکن است اصلاح بیماری های ژنتیکی با جایگزینی ژن های معیوب با ژن های طبیعی امکان پذیر شود.

شیمی پلیمر

ماده ساده اتیلن گازی است که از مولکول هایی با فرمول CH2CH2 تشکیل شده است. تحت شرایط خاص، بسیاری از مولکول‌های اتیلن به یکدیگر می‌پیوندند و زنجیره‌ای بلند به نام پلی اتیلن با فرمول (CH2CH2)n تشکیل می‌دهند که n یک عدد متغیر اما بزرگ است. پلی اتیلن یک ماده جامد سخت و بادوام است که کاملاً متفاوت از اتیلن است. این نمونه ای از یک پلیمر است که یک مولکول بزرگ است که از تعداد زیادی مولکول کوچکتر (مونومر) تشکیل شده است که معمولاً به صورت خطی به یکدیگر متصل می شوند. بسیاری از مواد طبیعی از جمله سلولز، نشاسته، پنبه، پشم، لاستیک، چرم، پروتئین ها و DNA، پلیمر هستند. پلی اتیلن، نایلون و اکریلیک نمونه هایی از پلیمرهای مصنوعی هستند. مطالعه چنین موادی در حوزه شیمی پلیمرها قرار دارد، تخصصی که در قرن بیستم شکوفا شده است. بررسی پلیمرهای طبیعی به طور قابل توجهی با بیوشیمی همپوشانی دارد، اما سنتز پلیمرهای جدید، بررسی فرآیندهای پلیمریزاسیون، و توصیف ساختار و خواص مواد پلیمری، همگی مشکلات منحصر به فردی را برای شیمیدانان پلیمر ایجاد می‌کنند.

شیمیدانان پلیمر، پلیمرهایی را طراحی و سنتز کرده اند که از نظر سختی، انعطاف پذیری، دمای نرم شدن، حلالیت در آب و زیست تخریب پذیری متفاوت هستند. آنها مواد پلیمری تولید کرده‌اند که به استحکام فولاد در عین حال سبک‌تر و مقاوم‌تر در برابر خوردگی هستند. خطوط لوله نفت، گاز طبیعی و آب در حال حاضر به طور معمول از لوله های پلاستیکی ساخته می شوند. در سال‌های اخیر، خودروسازان استفاده خود از قطعات پلاستیکی را افزایش داده‌اند تا خودروهای سبک‌تری بسازند که سوخت کمتری مصرف می‌کنند. سایر صنایع مانند صنایعی که در ساخت منسوجات، لاستیک، کاغذ و مواد بسته بندی دخیل هستند بر اساس شیمی پلیمر ساخته شده اند.

علاوه بر تولید انواع جدیدی از مواد پلیمری، محققان به دنبال توسعه کاتالیزورهای ویژه ای هستند که برای سنتز صنعتی در مقیاس بزرگ پلیمرهای تجاری مورد نیاز است. بدون چنین کاتالیزورهایی، فرآیند پلیمریزاسیون در موارد خاص بسیار کند خواهد بود.

شیمی فیزیک

بسیاری از رشته های شیمیایی، مانند مواردی که قبلاً مورد بحث قرار گرفتیم، بر طبقات خاصی از مواد که ویژگی های ساختاری و شیمیایی مشترک دارند، تمرکز دارند. سایر تخصص ها ممکن است نه بر روی دسته ای از مواد، بلکه بر تعاملات و دگرگونی های آنها متمرکز شوند. قدیمی ترین این رشته ها شیمی فیزیک است که به دنبال اندازه گیری، همبستگی و توضیح جنبه های کمی فرآیندهای شیمیایی است. برای مثال، رابرت بویل، شیمیدان انگلیسی-ایرلندی، در قرن هفدهم کشف کرد که در دمای اتاق، حجم مقدار ثابتی از گاز به نسبت افزایش فشار روی آن کاهش می یابد. بنابراین، برای گازی در دمای ثابت، حاصل ضرب حجم V و فشار آن P برابر است با یک عدد ثابت – یعنی PV = ثابت. چنین رابطه محاسباتی ساده ای برای تقریباً همه گازها در دمای اتاق و در فشارهای مساوی یا کمتر از یک اتمسفر معتبر است. کار بعدی نشان داد که این رابطه در فشارهای بالاتر اعتبار خود را از دست می دهد، اما عبارات پیچیده تری که با نتایج تجربی مطابقت بیشتری دارند را می توان استخراج کرد. کشف و بررسی چنین قوانین شیمیایی که اغلب قوانین طبیعت نامیده می شوند، در قلمرو شیمی فیزیک قرار دارند. در بیشتر قرن هجدهم، منبع نظم ریاضی در سیستم‌های شیمیایی، تداوم نیروها و میدان‌هایی است که اتم‌ها را احاطه کرده‌اند که عناصر و ترکیبات شیمیایی را تشکیل می‌دهند. با این حال، تحولات قرن بیستم نشان داده است که رفتار شیمیایی به بهترین وجه توسط یک مدل مکانیکی کوانتومی ساختار اتمی و مولکولی تفسیر می‌شود. شاخه ای از شیمی فیزیک که عمدتاً به این موضوع اختصاص دارد، شیمی نظری است. شیمیدانان نظری به طور گسترده از رایانه برای کمک به حل معادلات پیچیده ریاضی استفاده می کنند. شاخه های دیگر شیمی فیزیک شامل ترمودینامیک شیمیایی است که به رابطه بین گرما و سایر اشکال انرژی شیمیایی می پردازد و سینتیک شیمیایی که به دنبال اندازه گیری و درک سرعت واکنش های شیمیایی است. الکتروشیمی رابطه متقابل جریان الکتریکی و تغییرات شیمیایی را بررسی می کند. عبور جریان الکتریکی از یک محلول شیمیایی باعث تغییراتی در مواد تشکیل دهنده می شود که اغلب برگشت پذیر هستند – یعنی در شرایط مختلف خود مواد تغییر یافته جریان الکتریکی تولید می کنند. باتری‌های معمولی حاوی مواد شیمیایی هستند که وقتی با بستن مدار الکتریکی در تماس با یکدیگر قرار می‌گیرند، جریان را با ولتاژ ثابت تا زمانی که مواد مصرف شوند، ارائه می‌کنند. در حال حاضر علاقه زیادی به دستگاه هایی وجود دارد که می توانند از انرژی نور خورشید برای تحریک واکنش های شیمیایی استفاده کنند که محصولات آنها قادر به ذخیره انرژی هستند. کشف چنین وسایلی استفاده گسترده از انرژی خورشیدی را ممکن می سازد.

بسیاری از رشته های دیگر در شیمی فیزیک وجود دارند که بیشتر به خواص کلی مواد و برهمکنش بین مواد می پردازند تا خود مواد. فوتوشیمی تخصصی است که برهمکنش نور با ماده را بررسی می کند. واکنش‌های شیمیایی که با جذب نور آغاز می‌شوند، می‌توانند بسیار متفاوت از واکنش‌هایی باشند که با روش‌های دیگر رخ می‌دهند. به عنوان مثال، ویتامین D در بدن انسان زمانی تشکیل می شود که ارگوسترول استروئیدی تشعشعات خورشیدی را جذب می کند. ارگوسترول در تاریکی به ویتامین D تبدیل نمی شود.

یکی از زیرشاخه های شیمی فیزیک که به سرعت در حال توسعه است، شیمی سطح است. ویژگی‌های سطوح شیمیایی را با تکیه شدید بر ابزارهایی که می‌توانند مشخصات شیمیایی چنین سطوحی را ارائه دهند، بررسی می‌کند. هنگامی که یک جامد در معرض مایع یا گاز قرار می گیرد، در ابتدا یک واکنش روی سطح جامد رخ می دهد و در نتیجه خواص آن می تواند به طور چشمگیری تغییر کند. آلومینیوم یک مورد در این مورد است: دقیقاً به این دلیل که سطح فلز خالص با اکسیژن واکنش می‌دهد و لایه‌ای از اکسید آلومینیوم را تشکیل می‌دهد، در برابر خوردگی مقاوم است، که برای محافظت از داخل فلز در برابر اکسیداسیون بیشتر عمل می‌کند. بسیاری از کاتالیزورهای واکنش عملکرد خود را با ایجاد سطحی واکنش پذیر انجام می دهند که مواد می توانند روی آن واکنش نشان دهند.

شیمی صنعتی

ساخت، فروش و توزیع محصولات شیمیایی یکی از ارکان یک کشور توسعه یافته است. شیمیدانان نقش مهمی در ساخت، بازرسی و حمل و نقل ایمن محصولات شیمیایی و همچنین در توسعه محصول و مدیریت عمومی دارند. ساخت مواد شیمیایی اساسی مانند اکسیژن، کلر، آمونیاک و اسید سولفوریک، مواد اولیه صنایع تولید نساجی، محصولات کشاورزی، فلزات، رنگ و خمیر و کاغذ را فراهم می کند. مواد شیمیایی ویژه در مقادیر کمتری برای صنایع مرتبط با محصولاتی مانند داروسازی، مواد غذایی، بسته بندی، مواد شوینده، طعم دهنده ها و عطرها تولید می شوند. تا حد زیادی، صنایع شیمیایی محصولات و واکنش‌های رایج در فرآیندهای شیمیایی «بنچ تاپ» را می‌گیرد و آنها را تا مقادیر صنعتی افزایش می‌دهد.

نظارت و کنترل فرآیندهای شیمیایی عمده، به ویژه با توجه به انتقال حرارت، مشکلاتی را ایجاد می کند که معمولاً توسط شیمیدانان و مهندسان شیمی حل می شود. دفع محصولات جانبی نیز یک مشکل عمده برای تولید کنندگان مواد شیمیایی فله است. این و سایر چالش‌های شیمی صنعتی، آن را از رشته‌های فکری صرفاً شیمی که در بالا مورد بحث قرار گرفت، جدا می‌کند. با این حال، در صنعت شیمیایی، حجم قابل توجهی از تحقیقات اساسی در تخصص های سنتی انجام شده است. اکثر شرکت های بزرگ شیمیایی دارای قابلیت تحقیق و توسعه هستند. برای مثال، شرکت‌های داروسازی، آزمایشگاه‌های تحقیقاتی بزرگی را اداره می‌کنند که در آن شیمیدان‌ها مولکول‌ها را برای فعالیت دارویی آزمایش می‌کنند. محصولات و فرآیندهای جدیدی که در چنین آزمایشگاه‌هایی کشف می‌شوند، اغلب به ثبت اختراع می‌رسند و به منبعی برای شرکتی تبدیل می‌شوند که بودجه تحقیقات را تامین می‌کند. بخش زیادی از تحقیقات انجام شده در صنایع شیمیایی را می توان تحقیقات کاربردی نامید زیرا اهداف آن ارتباط تنگاتنگی با محصولات و فرآیندهای شرکت مربوطه دارد. فن آوری های جدید اغلب به تخصص شیمیایی زیادی نیاز دارند. مثلاً ساخت ریزمدارهای الکترونیکی شامل نزدیک به 100 مرحله شیمیایی جداگانه از ابتدا تا انتها است. بنابراین، صنایع شیمیایی با پیشرفت های تکنولوژیکی دنیای مدرن تکامل می یابد و در عین حال اغلب به سرعت پیشرفت کمک می کند.

روش شناسی شیمی

شیمی تا حد زیادی یک علم تجمعی است. با گذشت زمان تعداد و میزان مشاهدات و پدیده های مورد مطالعه افزایش می یابد. با این حال، همه فرضیه ها و اکتشافات بدون چالش باقی نمی مانند. برخی از آنها با ظاهر شدن مشاهدات جدید یا توضیحات رضایت بخش تر کنار گذاشته می شوند. با این وجود، شیمی دارای طیف وسیعی از مدل‌های توضیحی برای پدیده‌های شیمیایی است که در طول زمان پایدار و گسترش یافته‌اند. اینها اکنون وضعیت تئوری ها، مجموعه های به هم پیوسته ابزارهای توضیحی را دارند که به خوبی با پدیده های مشاهده شده همبستگی دارند. همانطور که اکتشافات جدید انجام می شود، هر زمان که ممکن باشد در نظریه موجود گنجانده می شوند. با این حال، همانطور که کشف ابررساناهای با دمای بالا در سال 1986 نشان می دهد، نظریه پذیرفته شده هرگز برای پیش بینی مسیر اکتشافات آینده کافی نیست. سرندیپیتی یا کشف تصادفی، به همان اندازه که پیچیدگی نظری نقش خواهد داشت، در آینده نیز نقش خواهد داشت.

مطالعات ساختار مولکولی

خواص شیمیایی یک ماده تابعی از ساختار آن است و تکنیک های کریستالوگرافی اشعه ایکس اکنون شیمیدانان را قادر می سازد آرایش اتمی دقیق مولکول های پیچیده را تعیین کنند. یک مولکول مجموعه منظمی از اتم ها است. هر اتم در یک مولکول با یک پیوند شیمیایی به یک یا چند اتم همسایه متصل است. طول پیوندها و زوایای بین پیوندهای مجاور همگی در توصیف ساختار مولکولی مهم هستند و تئوری جامع پیوند شیمیایی یکی از دستاوردهای اصلی شیمی مدرن است. اساس نظریه پیوند، مفهوم اتمی-مولکولی است.

اتم ها و عناصر

تا آنجا که به شیمی عمومی مربوط می شود، اتم ها از سه ذره اساسی تشکیل شده اند: پروتون، نوترون و الکترون. اگرچه پروتون و نوترون خود از واحدهای کوچکتری تشکیل شده‌اند، ساختار زیرین آنها تأثیر کمی بر تبدیل شیمیایی دارد. همانطور که در بخش قبلی توضیح داده شد، پروتون حامل بار 1+ است و تعداد پروتون های یک هسته اتم یک نوع اتم شیمیایی را از دیگری متمایز می کند. ساده ترین اتم، هیدروژن، دارای هسته ای است که از یک پروتون تشکیل شده است. جرم نوترون تقریباً برابر با پروتون است، اما باری ندارد. نوترون ها با پروتون ها در هسته همه اتم ها به غیر از هیدروژن وجود دارند. اتمی که یک پروتون و یک نوترون در هسته خود دارد، دوتریوم نامیده می شود. از آنجایی که دوتریوم فقط یک پروتون دارد، خواص شیمیایی مشابه هیدروژن را از خود نشان می دهد اما جرم متفاوتی دارد. هیدروژن و دوتریوم نمونه هایی از اتم های مرتبط به نام ایزوتوپ هستند. سومین ذره اتمی، الکترون، دارای بار 1- است، اما جرم آن 1836 برابر کوچکتر از جرم پروتون است. الکترون منطقه ای از فضای خارج از هسته را اشغال می کند که اوربیتال نامیده می شود. برخی از اوربیتال ها کروی هستند و هسته در مرکز آن قرار دارد. از آنجایی که الکترون ها جرم بسیار کمی دارند و با سرعتی نزدیک به نصف سرعت نور حرکت می کنند، دوگانگی موج – ذره مشابه فوتون های نور را نشان می دهند. این بدان معنی است که برخی از خواص یک الکترون با در نظر گرفتن الکترون به عنوان یک ذره به بهترین وجه توصیف می شوند، در حالی که خواص دیگر با رفتار یک موج ایستاده سازگار است. انرژی یک موج ایستاده، مانند یک رشته ارتعاشی، در منطقه ای از فضا که توسط دو انتهای ثابت و بالا و پایین ترین حد ارتعاش تعریف شده است، توزیع می شود. چنین موجی مانند یک ذره در ناحیه ثابتی از فضا وجود ندارد. مدل‌های اولیه ساختار اتمی، الکترون را به‌عنوان ذره‌ای در نظر می‌گرفتند که به دور هسته می‌چرخد، اما اوربیتال‌های الکترونی اکنون به‌عنوان مناطقی از فضا که توسط امواج ایستاده اشغال شده‌اند به نام توابع موج تفسیر می‌شوند. این توابع موجی مناطقی از فضای اطراف هسته را نشان می دهند که احتمال یافتن الکترون در آنها زیاد است. آنها نقش مهمی در نظریه پیوند دارند، همانطور که بعداً مورد بحث قرار خواهد گرفت.

هر پروتون در هسته اتم برای خنثی شدن الکتریکی به یک الکترون نیاز دارد. بنابراین، با افزایش تعداد پروتون ها در یک هسته، تعداد الکترون ها نیز افزایش می یابد. الکترون ها به تنهایی یا به صورت جفت، اوربیتال هایی را اشغال می کنند که به طور فزاینده ای از هسته فاصله دارند. الکترون‌های دورتر از هسته با شدت کمتری توسط پروتون‌های هسته جذب می‌شوند و می‌توانند راحت‌تر از اتم جدا شوند. انرژی لازم برای حرکت یک الکترون از یک اوربیتال به اوربیتال دیگر یا از یک مدار به فضای آزاد، سطح انرژی اوربیتال ها را نشان می دهد. این انرژی ها دارای مقادیر مشخص و ثابتی هستند. گفته می شود که آنها کوانتیزه شده اند. تفاوت انرژی بین اوربیتال ها منجر به الگوهای مشخصه جذب یا گسیل نور می شود که برای هر اتم شیمیایی منحصر به فرد است.

هر بار که پروتون دیگری به هسته اتم اضافه می شود، یک اتم شیمیایی جدید – یعنی یک عنصر – به وجود می آید. افزودن متوالی پروتون ها باعث ایجاد طیف وسیعی از عناصر شناخته شده در جهان می شود. ترکیبات زمانی تشکیل می شوند که دو یا چند عنصر مختلف از طریق پیوند اتمی با هم ترکیب شوند. چنین تشکیل پیوندی نتیجه جفت شدن الکترون است و پایه و اساس تمام شیمی ساختاری را تشکیل می دهد.

پیوند یونی و کووالانسی

هنگامی که دو اتم مختلف به یکدیگر نزدیک می شوند، الکترون های موجود در اوربیتال های بیرونی خود می توانند به دو روش متمایز پاسخ دهند. یک الکترون در بیرونی ترین اوربیتال اتمی اتم A ممکن است به طور کامل به اوربیتال بیرونی اما پایدارتر اتم B حرکت کند. اتم های باردار حاصل، A+ و B-، یون نامیده می شوند و نیروی جاذبه الکترواستاتیکی بین آنها باعث ایجاد چیزی می شود. پیوند یونی نامیده می شود. بیشتر عناصر می توانند پیوندهای یونی تشکیل دهند و موادی که حاصل می شوند معمولاً به صورت آرایه های سه بعدی از یون های مثبت و منفی وجود دارند. ترکیبات یونی اغلب جامدات کریستالی هستند که نقطه ذوب بالایی دارند (مانند نمک خوراکی).

روش دومی که در آن دو الکترون بیرونی اتم های A و B می توانند به نزدیک شدن A و B پاسخ دهند، جفت شدن برای تشکیل یک پیوند کووالانسی است. در دیدگاه ساده ای که به عنوان مدل پیوند ظرفیتی شناخته می شود، که در آن الکترون ها کاملاً به عنوان ذرات در نظر گرفته می شوند، فرض می شود که دو الکترون زوج بین دو هسته قرار دارند و به طور مساوی بین اتم های A و B تقسیم می شوند و در نتیجه یک پیوند کووالانسی ایجاد می شود. اتم هایی که توسط یک یا چند پیوند کووالانسی به یکدیگر متصل شده اند، مولکول ها را تشکیل می دهند. گاز هیدروژن از مولکول های هیدروژن تشکیل شده است که به نوبه خود از دو اتم هیدروژن تشکیل شده است که توسط یک پیوند کووالانسی به هم متصل شده اند. نماد H2 برای گاز هیدروژن به عنوان فرمول مولکولی شناخته می شود. فرمول های مولکولی تعداد و نوع اتم های تشکیل دهنده یک مولکول را نشان می دهد. مولکول H2 مسئول خواصی است که معمولاً با گاز هیدروژن مرتبط است. اکثر مواد روی زمین دارای مولکول های پیوند کووالانسی به عنوان واحد شیمیایی اصلی خود هستند و خواص مولکولی آنها کاملاً با عناصر تشکیل دهنده متفاوت است. برای مثال، خواص فیزیکی و شیمیایی دی اکسید کربن، کاملاً از خواص کربن خالص و اکسیژن خالص متمایز است.

تفسیر پیوند کووالانسی به عنوان یک جفت الکترون موضعی، ساده‌سازی بیش از حد موقعیت پیوند است. یک توصیف جامع تر از پیوند که خواص موجی الکترون ها را در نظر می گیرد، نظریه مولکولی-اوربیتال است. طبق این نظریه، الکترون‌ها در یک مولکول، به‌جای اینکه بین اتم‌ها قرار گیرند، بر روی تمام اتم‌های موجود در مولکول در یک توزیع فضایی که توسط یک اوربیتال مولکولی توصیف می‌شود، توزیع می‌شوند. چنین اوربیتال هایی زمانی به وجود می آیند که اوربیتال های اتمی اتم های پیوندی با یکدیگر ترکیب شوند. تعداد کل اوربیتال های مولکولی موجود در یک مولکول برابر است با مجموع تمام اوربیتال های اتمی موجود در اتم های تشکیل دهنده قبل از پیوند. بنابراین، برای تشکیل مولکول AB از ترکیب ساده اتم‌های A و B، دو اوربیتال اتمی با هم ترکیب می‌شوند تا دو اوربیتال مولکولی تولید کنند. یکی از آنها، به اصطلاح اوربیتال مولکولی پیوند، ناحیه ای از فضا را نشان می دهد که هر دو اتم A و B را در بر می گیرد، در حالی که دیگری، اوربیتال مولکولی ضد پیوند، دارای دو لوب است که هیچ کدام فضای بین دو اتم را اشغال نمی کند. . اوربیتال مولکولی پیوند در سطح انرژی کمتری نسبت به دو اوربیتال اتمی قرار دارد، در حالی که اوربیتال ضد پیوند در سطح انرژی بالاتری قرار دارد. دو الکترون جفتی که پیوند کووالانسی بین A و B را تشکیل می دهند، اوربیتال مولکولی پیوند را اشغال می کنند. به همین دلیل، احتمال زیادی برای یافتن الکترون‌های بین A و B وجود دارد، اما آنها را می‌توان در جای دیگری از اوربیتال نیز یافت. از آنجایی که فقط دو الکترون در تشکیل پیوند نقش دارند و هر دو می توانند در اوربیتال انرژی پایین تر جای بگیرند، اوربیتال ضد پیوند خالی از جمعیت باقی می ماند. این نظریه پیوند پیش‌بینی می‌کند که پیوند بین A و B رخ خواهد داد زیرا انرژی الکترون‌های جفت شده پس از پیوند کمتر از انرژی دو الکترون در اوربیتال‌های اتمی‌شان قبل از پیوند است. بنابراین تشکیل پیوند کووالانسی از نظر انرژی مطلوب است. سیستم از حالت انرژی بالاتر به حالت انرژی پایین تر می رود.

یکی دیگر از ویژگی های این تصویر پیوند این است که می تواند انرژی مورد نیاز برای حرکت یک الکترون از اوربیتال مولکولی پیوند به اوربیتال ضد پیوند را پیش بینی کند. انرژی مورد نیاز برای چنین تحریک الکترونیکی را می توان از طریق نور مرئی تامین کرد، برای مثال، و طول موج نور جذب شده، رنگ نمایش داده شده توسط مولکول جذب کننده را تعیین می کند (به عنوان مثال، بنفش آبی است زیرا رنگدانه های موجود در گل، پرتوهای قرمز رنگ را جذب می کند. نور طبیعی و بازتاب بیشتر رنگ آبی). با افزایش تعداد اتم ها در یک مولکول، تعداد اوربیتال های مولکولی نیز افزایش می یابد. محاسبه اوربیتال‌های مولکولی برای مولکول‌های بزرگ از نظر ریاضی دشوار است، اما رایانه‌ها امکان تعیین معادلات موج را برای چندین مولکول بزرگ فراهم کرده‌اند. خواص مولکولی پیش بینی شده توسط چنین محاسباتی به خوبی با نتایج تجربی همبستگی دارد.

ایزومریسم

بسیاری از عناصر می توانند دو یا چند پیوند کووالانسی تشکیل دهند، اما تنها تعداد کمی قادر به تشکیل زنجیره های گسترده پیوند کووالانسی هستند. نمونه بارز کربن است که می تواند تا چهار پیوند کووالانسی تشکیل دهد و می تواند به طور نامحدود به خود پیوند دهد. کربن در مجموع شش الکترون دارد که دو تای آنها در نزدیکترین مدار اتمی به هسته جفت شده اند. چهار باقیمانده دورتر از هسته هستند و برای پیوند کووالانسی در دسترس هستند. هنگامی که هیدروژن کافی وجود داشته باشد، کربن واکنش نشان می دهد و متان، CH4 را تشکیل می دهد. هنگامی که هر چهار جفت الکترون چهار اوربیتال مولکولی با کمترین انرژی را اشغال می کنند، مولکول شکل یک چهار وجهی را به خود می گیرد که کربن در مرکز و چهار اتم هیدروژن در راس قرار دارد. طول پیوند C-H 110 پیکومتر (1 پیکومتر = 10-12 متر) است و زاویه بین پیوندهای C-H مجاور نزدیک به 110 درجه است. چنین تقارن چهار وجهی برای بسیاری از ترکیبات کربنی مشترک است و به احتمالات ساختاری جالبی منجر می شود. اگر دو اتم کربن به هم متصل شوند و سه اتم هیدروژن به هر اتم کربن پیوند داشته باشند، مولکول اتان به دست می آید. هنگامی که چهار اتم کربن به یکدیگر متصل می شوند، دو ساختار متفاوت امکان پذیر است: یک ساختار خطی به نام ان-بوتان و یک ساختار منشعب به نام ایزوبوتان. این دو ساختار فرمول مولکولی یکسانی دارند، C4H10، اما ترتیب اتصال اتم های سازنده آنها متفاوت است. این دو مولکول ایزومرهای ساختاری نامیده می شوند. هر کدام از آنها خواص شیمیایی و فیزیکی منحصر به فردی دارند و ترکیبات متفاوتی هستند. با افزایش تعداد اتم های کربن، تعداد ایزومرهای ممکن به سرعت افزایش می یابد. پنج ایزومر برای C6H14، 75 برای C10H22، و 6.2 × 1013 برای C40H82 وجود دارد. هنگامی که کربن با اتم هایی غیر از هیدروژن مانند اکسیژن، نیتروژن و گوگرد پیوند ایجاد می کند، امکانات ساختاری حتی بیشتر می شود. همین پتانسیل بزرگ برای تنوع ساختاری است که ترکیبات کربن را برای موجودات زنده ضروری می کند.

حتی زمانی که توالی پیوند ترکیبات کربن ثابت است، تغییرات ساختاری بیشتر همچنان امکان پذیر است. هنگامی که دو اتم کربن توسط دو جفت پیوند الکترون به یکدیگر متصل می شوند، یک پیوند دوگانه تشکیل می شود. یک پیوند دوگانه، دو اتم کربن و گروه های متصل را به یک ساختار صلب و مسطح وادار می کند. در نتیجه، مولکولی مانند CHCl=CHCl می تواند به دو شکل غیر یکسان به نام ایزومرهای هندسی وجود داشته باشد. سفتی سازه نیز در ساختارهای حلقه ای رخ می دهد و گروه های متصل می توانند در یک طرف حلقه یا در طرف های مختلف باشند. فرصت دیگری برای ایزومریسم زمانی به وجود می آید که یک اتم کربن به چهار گروه مختلف پیوند می خورد. اینها را می توان به دو روش مختلف متصل کرد که یکی از آنها تصویر آینه ای دیگری است. این نوع ایزومر را ایزومر نوری می نامند، زیرا این دو ایزومر به طور متفاوتی بر نور پلاریزه شده صفحه تأثیر می گذارند. برای هر اتم کربنی که به چهار گروه مختلف پیوند دارد، دو ایزومر نوری امکان پذیر است. برای مولکولی که دارای 10 اتم کربن باشد، تعداد کل ایزومرهای ممکن 210 = 1024 خواهد بود. بیومولکول های بزرگ اغلب دارای 10 اتم کربن یا بیشتر هستند که چنین ایزومرهای نوری برای آنها امکان پذیر است. فقط یکی از تمام ایزومرهای ممکن با مولکول طبیعی یکسان خواهد بود. به همین دلیل، سنتز آزمایشگاهی مولکول های آلی بزرگ بسیار دشوار است. تنها در چند دهه آخر قرن بیستم، شیمیدانان موفق به توسعه معرف‌ها و فرآیندهایی شدند که ایزومرهای نوری خاصی تولید می‌کنند. آنها انتظار دارند که روش‌های مصنوعی جدید، سنتز محصولات طبیعی پیچیده‌تر را ممکن می‌سازد.

بررسی تحولات شیمیایی

عوامل اساسی

ساختار مواد یونی و مولکول های پیوند کووالانسی تا حد زیادی عملکرد آنها را تعیین می کند. همانطور که در بالا ذکر شد، خواص یک ماده به تعداد و نوع اتم های موجود در آن و به الگوهای پیوند موجود بستگی دارد. با این حال، خواص حجیم آن نیز به برهمکنش بین اتم‌ها، یون‌ها یا مولکول‌ها بستگی دارد. نیروی جاذبه بین واحدهای اساسی یک ماده تعیین می کند که آیا در یک دما و فشار معین، آن ماده در فاز جامد، مایع یا گاز وجود داشته باشد یا خیر. برای مثال، در دما و فشار اتاق، نیروهای جاذبه قوی بین یون‌های مثبت سدیم (Na+) و یون‌های منفی کلر (Cl−) آنها را به یک ساختار جامد فشرده می‌کشاند. نیروهای جذب ضعیف‌تر در بین مولکول‌های آب همسایه باعث می‌شود که ویژگی بسته‌بندی شل‌تر یک مایع وجود داشته باشد. در نهایت، نیروهای جذاب بسیار ضعیفی که در بین مولکول‌های اکسیژن مجاور عمل می‌کنند، توسط نیروهای پراکنده گرما بیشتر می‌شوند. در نتیجه، اکسیژن یک گاز است. بنابراین نیروهای بین ذره‌ای بر رفتار شیمیایی و فیزیکی مواد تأثیر می‌گذارند، اما همچنین تا حد زیادی تعیین می‌کنند که چگونه یک ذره به نزدیک شدن به یک ذره متفاوت پاسخ می‌دهد. اگر این دو ذره با یکدیگر واکنش نشان دهند و ذرات جدید تشکیل دهند، یک واکنش شیمیایی رخ داده است. با وجود تنوع ساختاری نامحدودی که پیوند مولکولی مجاز می‌داند، اگر مواد قادر به تغییر نباشند، جهان عاری از حیات خواهد بود. مطالعه تبدیل شیمیایی، که مکمل مطالعه ساختار مولکولی است، بر اساس مفاهیم انرژی و آنتروپی ساخته شده است.

انرژی و قانون اول ترمودینامیک

مفهوم انرژی یک مفهوم اساسی و آشنا در تمام علوم است. به عبارت ساده، انرژی یک جسم نشان دهنده توانایی آن در انجام کار است و کار خود نیرویی است که در فاصله ای دور عمل می کند.

سیستم های شیمیایی می توانند هم انرژی جنبشی (انرژی حرکت) و هم انرژی پتانسیل (انرژی ذخیره شده) داشته باشند. انرژی جنبشی هر مجموعه ای از مولکول ها در جامد، مایع یا گاز به عنوان انرژی حرارتی آن شناخته می شود. از آنجایی که مایعات زمانی که انرژی حرارتی بیشتری دارند، منبسط می شوند، برای مثال، یک ستون مایع جیوه در یک لوله تخلیه شده با گرمتر شدن بیشتر می شود. به این ترتیب می توان از یک دماسنج برای اندازه گیری انرژی حرارتی یا دمای یک سیستم استفاده کرد. دمایی که در آن تمام حرکت های مولکولی متوقف می شود به عنوان صفر مطلق شناخته می شود.

انرژی همچنین ممکن است در اتم ها یا مولکول ها به عنوان انرژی پتانسیل ذخیره شود. هنگامی که پروتون ها و نوترون ها با هم ترکیب می شوند تا هسته یک عنصر خاص را تشکیل دهند، کاهش انرژی پتانسیل با تولید مقدار زیادی انرژی جنبشی مطابقت دارد. به عنوان مثال، تشکیل هسته دوتریوم از یک پروتون و یک نوترون را در نظر بگیرید. واحد جرم اصلی شیمیدان مول است که جرم ذرات منفرد 6.02 × 1023 را بر حسب گرم نشان می دهد، خواه اتم باشند یا مولکول. جرم یک مول پروتون 1.007825 گرم و یک مول نوترون 1.008665 گرم است. با جمع ساده، جرم یک مول اتم دوتریوم (با نادیده گرفتن جرم ناچیز یک مول الکترون) باید 2.016490 گرم باشد. جرم اندازه گیری شده 0.00239 گرم کمتر از این است. جرم از دست رفته به عنوان انرژی اتصال هسته شناخته می شود و معادل جرم انرژی آزاد شده توسط تشکیل هسته را نشان می دهد. با استفاده از فرمول انیشتین برای تبدیل جرم به انرژی (E = mc2)، می توان معادل انرژی 0.00239 گرم را به عنوان 2.15 × 108 کیلوژول محاسبه کرد. این تقریباً 240000 برابر بیشتر از انرژی آزاد شده از احتراق یک مول متان است. چنین مطالعاتی در مورد انرژی تشکیل اتم و تبدیل درونی بخشی از یک تخصص شناخته شده به عنوان شیمی هسته ای است.

انرژی آزاد شده از احتراق متان حدود 900 کیلوژول در هر مول است. اگرچه بسیار کمتر از انرژی آزاد شده توسط واکنش های هسته ای است، اما انرژی حاصل از یک فرآیند شیمیایی مانند احتراق به اندازه کافی بزرگ است که به عنوان گرما و نور درک شود. انرژی در واکنش های به اصطلاح گرمازا آزاد می شود زیرا پیوندهای شیمیایی موجود در مولکول های محصول، دی اکسید کربن و آب، قوی تر و پایدارتر از پیوندهای موجود در مولکول های واکنش دهنده، متان و اکسیژن هستند. انرژی پتانسیل شیمیایی سیستم کاهش یافته است و بیشتر انرژی آزاد شده به صورت گرما و مقداری به صورت انرژی تابشی یا نور ظاهر می شود. گرمای تولید شده توسط چنین واکنش احتراقی، دمای هوای اطراف را افزایش می دهد و در فشار ثابت، حجم آن را افزایش می دهد. این انبساط هوا منجر به انجام کار می شود. به عنوان مثال، در سیلندر یک موتور احتراق داخلی، احتراق بنزین منجر به گازهای داغ می شود که در برابر یک پیستون متحرک منبسط می شوند. حرکت پیستون یک میل لنگ را می چرخاند و سپس خودرو را به حرکت در می آورد. در این حالت انرژی پتانسیل شیمیایی به انرژی حرارتی تبدیل شده است که بخشی از آن کار مفیدی تولید می کند. این فرآیند بیانیه ای از بقای انرژی را نشان می دهد که به عنوان قانون اول ترمودینامیک شناخته می شود. این قانون بیان می کند که برای یک واکنش گرمازا، انرژی آزاد شده توسط سیستم شیمیایی برابر با گرمای به دست آمده توسط محیط اطراف به اضافه کار انجام شده است. با اندازه گیری گرما و کمیت های کاری که همراه با واکنش های شیمیایی هستند، می توان تفاوت انرژی بین واکنش دهنده ها و محصولات واکنش های مختلف را مشخص کرد. به این ترتیب، انرژی پتانسیل ذخیره شده در انواع مولکول ها را می توان تعیین کرد و تغییرات انرژی همراه با واکنش های شیمیایی را محاسبه کرد.

آنتروپی و قانون دوم ترمودینامیک

برخی از فرآیندهای شیمیایی حتی با وجود هیچ تغییر خالص انرژی رخ می دهد. یک ظرف حاوی گاز را در نظر بگیرید که از طریق کانالی به یک کشتی تخلیه شده متصل است که در آن یک مانع عبور گاز را مسدود می کند. اگر مانع برداشته شود، گاز به داخل کشتی تخلیه شده منبسط می شود. این انبساط با این مشاهدات مطابقت دارد که یک گاز همیشه منبسط می شود تا حجم موجود را پر کند. وقتی دمای هر دو ظرف یکسان است، انرژی گاز قبل و بعد از انبساط یکسان است. با این حال، واکنش معکوس رخ نمی دهد. واکنش خود به خودی واکنشی است که حالت بی نظمی بیشتری را به همراه دارد. در حجم منبسط شده، تک تک مولکول های گاز آزادی حرکت بیشتری دارند و بنابراین بی نظم تر هستند. اندازه گیری بی نظمی یک سیستم کمیتی است که آنتروپی نامیده می شود. در دمای صفر مطلق، تمام حرکات اتم‌ها و مولکول‌ها متوقف می‌شود و بی‌نظمی – و آنتروپی – چنین مواد کاملاً فشرده صفر است. (آنتروپی صفر در دمای صفر با قانون سوم ترمودینامیک مطابقت دارد.) همه مواد بالاتر از صفر مطلق دارای مقدار آنتروپی مثبت خواهند بود که با افزایش دما افزایش می یابد. هنگامی که جسم داغ سرد می شود، انرژی حرارتی از دست رفته به هوای اطراف می رسد که در دمای پایین تری قرار دارد. با کاهش آنتروپی بدن خنک کننده، آنتروپی هوای اطراف افزایش می یابد. در واقع افزایش آنتروپی هوا بیشتر از کاهش آنتروپی بدنه خنک کننده است. این با قانون دوم مطابقت دارد، که بیان می کند که آنتروپی کل یک سیستم و محیط اطراف آن همیشه در یک واکنش خود به خود افزایش می یابد. بنابراین قانون اول و دوم ترمودینامیک نشان می دهد که برای تمام فرآیندهای تغییر شیمیایی در سراسر جهان، انرژی حفظ می شود اما آنتروپی افزایش می یابد.

استفاده از قوانین ترمودینامیک در سیستم های شیمیایی به شیمیدانان اجازه می دهد تا رفتار واکنش های شیمیایی را پیش بینی کنند. زمانی که ملاحظات انرژی و آنتروپی به نفع تشکیل مولکول های محصول باشد، مولکول های معرف برای تشکیل محصولات عمل می کنند تا زمانی که تعادل بین محصولات و معرف ها برقرار شود. نسبت محصولات به معرف ها با کمیتی به نام ثابت تعادل مشخص می شود که تابعی از تفاوت انرژی و آنتروپی بین این دو است. با این حال، آنچه ترمودینامیک نمی تواند پیش بینی کند، سرعت رخ دادن واکنش های شیمیایی است. برای واکنش‌های سریع، مخلوط تعادلی از محصولات و معرف‌ها را می‌توان در یک میلی‌ثانیه یا کمتر ایجاد کرد. برای واکنش های آهسته زمان لازم می تواند صدها سال باشد.

سرعت واکنش

هنگامی که ‌ سرعت های خاص واکنش‌های شیمیایی به‌صورت تجربی اندازه‌گیری می‌شوند، مشخص می‌شود که به غلظت گونه‌های واکنش‌دهنده، دما و کمیتی به نام انرژی فعال‌سازی وابسته هستند. شیمیدانان این پدیده را با توسل به تئوری سرعت برخورد واکنش توضیح می دهند. این نظریه بر این فرض استوار است که واکنش بین دو یا چند ماده شیمیایی، در سطح مولکولی، مستلزم برخورد بین دو مولکول به سرعت در حال حرکت است. اگر دو مولکول به روش درست و با انرژی جنبشی کافی برخورد کنند، ممکن است یکی از مولکول‌ها انرژی کافی برای شروع فرآیند شکستن پیوند به دست آورد. همانطور که این اتفاق می افتد، پیوندهای جدید ممکن است شروع به شکل گیری کنند و در نهایت مولکول های معرف به مولکول های محصول تبدیل می شوند. نقطه بالاترین انرژی در هنگام شکستن پیوند و تشکیل پیوند، حالت گذار فرآیند مولکولی نامیده می شود. تفاوت بین انرژی حالت گذار و انرژی مولکول های واکنش دهنده، انرژی فعال سازی است که برای وقوع یک واکنش باید از آن فراتر رفت. سرعت واکنش با دما افزایش می یابد زیرا مولکول های برخورد کننده دارای انرژی بیشتری هستند و تعداد بیشتری از آنها انرژی هایی خواهند داشت که از انرژی فعال سازی واکنش فراتر می روند. مطالعه مدرن اساس مولکولی تغییرات شیمیایی توسط لیزرها و کامپیوترها بسیار کمک شده است. اکنون می توان محصولات برخورد کوتاه مدت را مطالعه کرد و مکانیسم های مولکولی که سرعت واکنش های شیمیایی را تعیین می کنند را بهتر تعیین کرد. این دانش در طراحی کاتالیزورهای جدیدی که می توانند با کاهش انرژی فعال سازی سرعت واکنش را تسریع کنند، مفید است. کاتالیزورها برای بسیاری از فرآیندهای بیوشیمیایی و صنعتی مهم هستند، زیرا واکنش‌هایی را که معمولاً به کندی انجام می‌شوند سرعت می‌بخشند و مفید نیستند. علاوه بر این، آنها اغلب این کار را با افزایش کنترل بر ویژگی‌های ساختاری مولکول‌های محصول انجام می‌دهند. به عنوان مثال، یک کاتالیزور رودیوم فسفین، شیمیدانان را قادر می سازد تا 96 درصد از ایزومر نوری صحیح را در یک مرحله کلیدی در سنتز L-dopa، دارویی که برای درمان بیماری پارکینسون استفاده می شود، به دست آورند.

شیمی و جامعه

در دو سوم اول قرن بیستم، شیمی از نظر بسیاری به عنوان علم آینده تلقی می شد. پتانسیل محصولات شیمیایی برای غنی سازی جامعه نامحدود به نظر می رسید. با این حال، به طور فزاینده ای و به ویژه در اذهان عمومی، جنبه های منفی شیمی به منصه ظهور رسیده است. دفع محصولات جانبی شیمیایی در مکان‌های دفع زباله با ظرفیت محدود منجر به مشکلات زیست‌محیطی و بهداشتی شده است که نگرانی‌های زیادی را به همراه دارد. استفاده مشروع از داروها برای درمان بیماری ها تحت نظارت پزشکی به دلیل استفاده نادرست فزاینده از داروهای تغییر دهنده خلق و خوی آلوده شده است. خود کلمه مواد اغلب به معنای تحقیرآمیز استفاده می شود. در نتیجه، این خطر وجود دارد که پیگیری و به کارگیری دانش شیمیایی به عنوان خطراتی که بیشتر از منافع آن است دیده شود.

به راحتی می توان نقش اصلی شیمی را در جامعه مدرن دست کم گرفت، اما اگر بخواهیم جمعیت جهان لباس پوشیده، خانه دار و تغذیه شوند، محصولات شیمیایی ضروری هستند. ذخایر سوخت‌های فسیلی جهان (مانند نفت، گاز طبیعی و زغال‌سنگ) در نهایت، برخی از آنها در قرن بیست و یکم تمام می‌شوند و فرآیندها و مواد شیمیایی جدید، منبع انرژی جایگزین حیاتی خواهند بود. برای مثال، تبدیل انرژی خورشیدی به اشکال متمرکزتر و مفید، به شدت به اکتشافات در شیمی متکی است. راه حل های طولانی مدت و قابل قبول از نظر زیست محیطی برای مشکلات آلودگی بدون دانش شیمیایی قابل دستیابی نیستند. حقیقت زیادی در این جمله وجود دارد که “مشکلات شیمیایی نیاز به راه حل های شیمیایی دارند.” تحقیقات شیمیایی منجر به درک بهتر رفتار مواد طبیعی و مصنوعی و کشف مواد جدیدی می شود که به نسل های آینده کمک می کند تا نیازهای خود را بهتر تامین کنند و با مشکلات خود مقابله کنند.

دیگر نمی توان پیشرفت در شیمی را فقط از نظر اقتصادی و فایده سنجید. کشف و ساخت کالاهای شیمیایی جدید باید همچنان از نظر اقتصادی امکان پذیر باشد، اما باید از نظر زیست محیطی نیز قابل قبول باشد. اکنون می توان تأثیر مواد جدید بر محیط زیست را قبل از شروع تولید در مقیاس بزرگ ارزیابی کرد و سازگاری با محیط زیست به ویژگی ارزشمند مواد جدید تبدیل شده است. به عنوان مثال، ترکیبات متشکل از کربن کاملاً متصل به کلر و فلوئور، به نام کلروفلوئوروکربن ها (یا فرئون ها)، زمانی که برای اولین بار کشف شدند، برای استفاده در نظر گرفته شده ایده آل بودند. آنها گازهای غیر سمی و غیر قابل اشتعال و مایعات فراری هستند که بسیار پایدار هستند. این خواص منجر به استفاده گسترده از آنها به عنوان حلال، مبرد و پیشران در ظروف آئروسل شد. با این حال، زمان نشان داده است که این ترکیبات در نواحی بالایی جو تجزیه می‌شوند و محصولات تجزیه در تخریب ازن استراتوسفر عمل می‌کنند. در حال حاضر محدودیت هایی برای استفاده از کلروفلوئوروکربن ها اعمال شده است، اما بازیابی مقادیری که قبلاً در جو پراکنده شده است غیرممکن است.

مشکل کلروفلوئوروکربن نشان می دهد که چقدر دشوار است پیش بینی تأثیر کلی مواد جدید بر محیط زیست. شیمیدانان در حال توسعه روشهای ارزیابی هستند و نظریه شیمیایی رایج ابزارهای کار را فراهم می کند. هنگامی که یک ماده برای تعادل اکولوژیکی موجود خطرناک شناخته شد، وظیفه شیمیدانان است که آن ماده را بیابند و آن را خنثی کنند و آسیبی که می تواند وارد کند محدود کنند یا به طور کامل آن را از محیط حذف کنند. سال‌های پایانی قرن بیستم شاهد اکتشافات جدید و هیجان‌انگیزی در فرآیندها و محصولات شیمی خواهیم بود. به ناچار اثرات مضر برخی از مواد بیشتر از فواید آنها خواهد بود و استفاده از آنها باید محدود شود. با این حال، تأثیر مثبت شیمی بر جامعه به عنوان یک کل غیرقابل شک به نظر می رسد.

تاریخچه شیمی

شیمی را به درستی علم مرکزی نامیده اند. شیمیدانان مواد مختلف جهان را با تمرکز ویژه بر فرآیندهایی که توسط آنها یک ماده به ماده دیگر تبدیل می شود، مطالعه می کنند. امروزه شیمی به عنوان مطالعه ترکیب و خواص عناصر و ترکیبات، ساختار مولکول های آنها و واکنش های شیمیایی که آنها متحمل می شوند، تعریف می شود. با این حال، به جای شروع با چنین مفاهیم مدرن، درک کاملتر موضوع مستلزم بررسی فرآیندهای تاریخی است که منجر به این مفاهیم شده است.

فلسفه ماده در دوران باستان

در واقع، فیلسوفان عهد باستان نمی‌توانستند تصور کنند که همه مواد از ترکیب چند ده عنصر آنطور که امروزه درک می‌شوند، تشکیل شده است. اولین تفکر انتقادی در مورد ماهیت مواد، تا آنجا که سوابق تاریخی نشان می دهد، توسط برخی از فیلسوفان یونانی در حدود 600 سال قبل از میلاد آغاز شد. تالس از میلتوس، آناکسیماندر، امپدوکلس و دیگران نظریه‌هایی ارائه کردند که جهان از انواع خاک، آب، هوا، آتش، یا «دانه‌ها» یا ماده «نامحدود» نامشخص تشکیل شده است. لوسیپوس و دموکریتوس یک نظریه ماتریالیستی در مورد اتم های غیرقابل رؤیت کوچک تقلیل ناپذیر ارائه کردند که جهان از آن ساخته شده است. در قرن چهارم پیش از میلاد، افلاطون (متأثر از فیثاغورث) تعلیم داد که جهان حواس جز سایه دنیای ریاضیاتی از «اشکال» فراتر از درک انسان است.

در مقابل، ارسطو شاگرد افلاطون، جهان حواس را جدی گرفت. ارسطو با پذیرش دیدگاه امپدوکلس مبنی بر اینکه منطقه زمینی از خاک، آب، هوا و آتش تشکیل شده است، آموخت که هر یک از این مواد ترکیبی از کیفیت هایی مانند گرم، سرد، مرطوب و خشک است. از نظر ارسطو، این «عناصر» آن طور که اکنون تصور می شود، اجزای سازنده ماده نبودند. بلکه از کیفیت‌های تحمیل‌شده بر ماده اولیه بدون ویژگی ناشی می‌شوند. در نتیجه، برای مثال، انواع مختلفی از زمین وجود داشت، و هیچ چیز مانع از تبدیل یک عنصر به عنصر دیگر با تنظیم مناسب کیفیت آن نشد. بنابراین، ارسطو گمانه زنی های اتم شناسان باستان و ذرات بنیادی تقلیل ناپذیر آنها را رد کرد. نظرات او در اواخر دوران باستان بسیار مورد توجه بود و در سراسر قرون وسطی تأثیرگذار باقی ماند.

هزاران سال قبل از ارسطو، فلزسازان، سنجشگران، سرام کاران و رنگرزان برای تکمیل صنایع دستی خود با استفاده از دانش تجربی حاصل از فرآیندهای شیمیایی تلاش می کردند. در دوران هلنیستی و رومی، مهارت‌های آن‌ها به خوبی پیشرفته بود و سرامیک‌های پیچیده، شیشه‌ها، رنگ‌ها، داروها، فولادها، برنز، برنج، آلیاژهای طلا و نقره، مواد غذایی و بسیاری دیگر از محصولات شیمیایی مورد معامله قرار می‌گرفت. اسکندریه هلنیستی در مصر مرکز این هنرها بود و ظاهراً در آنجا بود که گروهی از اندیشه ها پدید آمدند که بعدها به کیمیاگری معروف شدند.

کیمیاگری

سه مجموعه مختلف از ایده ها و مهارت ها به منشاء کیمیاگری تغذیه می شود. اول، پیچیدگی تجربی جواهرسازان، طلا و نقره سازان و دیگر صنعتگرانی بود که یاد گرفته بودند چگونه مواد گرانبها و نیمه قیمتی را بسازند. از جمله مهارت های آنها ذوب، سنجش، آلیاژسازی، تذهیب، ادغام، تقطیر، تصعید، رنگ آمیزی و لاک زدن بود. مؤلفه دوم نظریه اولیه یونان در مورد ماده، به ویژه فلسفه ارسطویی بود که امکان تبدیل شدن نامحدود یک ماده به ماده دیگر را پیشنهاد می کرد. سومین ریشه کیمیاگری شامل ترکیب پیچیده ای از ایده های مشتق شده از فلسفه ها و ادیان آسیایی، ادیان اسرارآمیز هلنیستی، و آنچه به عنوان نوشته های هرمسی (مجموعه ای از نوشته های یونانی مستعار در مورد جادو، طالع بینی و کیمیا به خدای مصری نسبت داده می شود) بود. توث یا همتای یونانی او هرمس تریسمگیستوس). با این حال، توجه به این نکته مهم است که مصر هلنیستی تنها یکی از چندین نامزد برای وطن کیمیاگری است. تقریباً در همان زمان، ایده های مشابهی در ایران، چین و جاهای دیگر در حال توسعه بود.

به طور کلی، کیمیاگران به دنبال دستکاری خواص ماده برای تهیه مواد ارزشمندتر بودند. آشناترین تلاش آنها یافتن سنگ فیلسوف بود، ماده ای جادویی که فلزات معمولی مانند مس، قلع، آهن یا سرب را به نقره یا طلا تبدیل می کرد. مواد مهم در این صنعت شامل گوگرد، جیوه و الکتروم (آلیاژ طلا و نقره) بود. با این حال، بسیاری دیگر از کیمیاگران تغییر کیمیاگری (aurifaction) را رد کردند و در عوض تلاش خود را صرف دارویی کردند که به عنوان «اکسیر زندگی» شناخته می‌شود که می‌تواند هر بیماری، از جمله بیماری نهایی، یعنی مرگ را درمان کند. سنگ فیلسوف و اکسیر حیات را می‌توان جست‌وجوهای موازی در نظر گرفت، زیرا هر یک به ترتیب بدن‌های فلزی یا انسانی را «درمان» می‌کنند و کمال جاودانه را به همراه می‌آورند. همه اینها یک بعد مذهبی موازی هم داشت. سرانجام، برخی از کیمیاگران دستکاری های مادی را به طور کامل رد کردند و خود را وقف مراقبه با هدف دستیابی به خلوص معنوی و رستگاری نهایی کردند.

پس از ظهور اسلام، دانشمندان عرب زبان قرن نهم، آثار علمی و فلسفی یونانی را به زبان خود ترجمه کردند. پس از آن، فیلسوفان جهان اسلام با اشتیاق و موفقیت به دنبال ایده های شیمیایی و کیمیاگری شدند. تعداد قابل توجهی از کلمات شیمیایی مدرن مشتق شده از عربی – الکل، قلیایی، کیمیا، زیرکون، اکسیر، ناترون، و غیره – نشان دهنده اهمیت این دوره برای تاریخ شیمی است. یکی از ایده‌های برجسته کیمیاگری عربی قرون وسطی این نظریه بود که تمام فلزات از گوگرد و جیوه به نسبت‌های مختلف تشکیل شده‌اند و تغییر این نسبت‌ها می‌تواند فلز مورد مطالعه را تغییر دهد – حتی برای تولید نقره یا طلا از سرب یا آهن. با این حال، هر کیمیاگری به امکان چنین تغییر شکلی اعتقاد نداشت.

بعدها، محققان در اروپای غربی مسیحی با ترجمه این کتاب ها به لاتین، با فلسفه یونان باستان و عربی اوایل قرون وسطی آشنا شدند. بنابراین، سنت کیمیاگری، همراه با بقیه مجموعه های فلسفی و علمی یونانی-عربی، در طول قرن دوازدهم به غرب منتقل شد. فیلسوفان اسکولاستیک معروف قرن سیزدهم، مانند راجر بیکن در انگلستان و آلبرتوس مگنوس در آلمان و فرانسه، در مورد کیمیاگری نوشتند. در کنار این ادبیات آموخته شده، هنرهای شیمیایی تجربی به شکوفایی خود ادامه دادند و حوزه تخصصی کاملاً جداگانه ای را در میان صنعتگران، مهندسان و مکانیک ها تشکیل دادند.

یک کیمیاگر مهم غربی در اواخر قرن سیزدهم، نویسنده مستعار لاتینی بود که خود را گبر در ادای احترام به جابر بن حیان، کیمیاگر ایرانی قرن هشتم، نامید. Geber اولین کسی بود که روش های تهیه و استفاده از اسید سولفوریک، اسید نیتریک و اسید هیدروکلریک را ثبت کرد. اولین شواهد روشن برای آشنایی گسترده با الکل مقطر نیز چندان به دوران او نمی رسد. این مواد را فقط می‌توانستند توسط عکس‌های جدید که قوی‌تر و کارآمدتر از نمونه‌های قبلی خود بودند، تولید کنند، و ظاهر این مواد جدید قابل توجه تغییرات چشمگیری را در کارنامه شیمیدانان ایجاد کرد.

رنسانس علاقه شدیدتری به این علم دید. پزشک آلمانی-سوئیسی پاراسلسوس به کیمیاگری، کابالا، طالع بینی و جادو می پرداخت و در نیمه اول قرن شانزدهم از نقش مواد معدنی به جای داروهای گیاهی دفاع کرد. تأکید او بر مواد شیمیایی در داروسازی و پزشکی بر چهره‌های بعدی تأثیرگذار بود و مناقشات پر جنب و جوش بر سر رویکرد پارسلزی در اواخر قرن هفدهم بالا گرفت. با این حال، به تدریج نفوذ هرمتیک در اروپا کاهش یافت، زیرا برخی از شاهکارهای مشهور در مورد استحقاق فرضی به عنوان تقلب آشکار شدند.

این اشتباه است که فکر کنیم تحقیقات تجربی آزاداندیشی که به خوبی با نظریه ادغام شده است (که می‌توان علم را اینگونه تعریف کرد) در تاریخ کیمیاگری غایب بود. کیمیاگری در طول قرن‌ها متخصصان کاملاً علمی بسیاری داشتند، به ویژه از جمله رابرت بویل بریتانیایی و آیزاک نیوتن – قهرمانان انقلاب علمی قرن هفدهم – که روش‌های سیستماتیک و کمی را برای مطالعات کیمیاگری (عمدتاً مخفی) خود به کار بردند. در واقع، تا اواخر قرن هفدهم، تفاوت چندانی بین کیمیاگری و شیمی وجود نداشت، چه از نظر ماهوی و چه از نظر معنایی، زیرا هر دو واژه برای مجموعه ای از ایده ها به کار می رفتند. تنها در اوایل قرن هجدهم بود که شیمیدانان تعاریف متفاوتی از این دو واژه ارائه کردند و کیمیاگری را به آشبین علوم شبه غیبی بی اعتبار کردند.

نظریه فلوژیستون

این تغییر تا حدی خود تبلیغی ساده توسط شیمیدانان در محیط جدید روشنگری بود، که پیشتاز آنها عقل گرایی، آزمایش و پیشرفت را ستایش می کرد و عرفان را شیطانی می دانست . یکی از رهبران در این زمینه، پزشک و شیمیدان آلمانی، گئورگ ارنست استال بود، که به شدت به کیمیاگری حمله کرد (پس از اینکه خودش به آن دست زد) و یک نظریه شیمیایی جدید گسترده ارائه کرد. استال به تشابهاتی بین سوزاندن مواد قابل احتراق و تکلیس فلزات اشاره کرد (تبدیل فلز به کلکس یا اکسید آن) او پیشنهاد کرد که هر دو فرآیند شامل از دست دادن یک سیال مادی است که در همه مواد قابل احتراق وجود دارد، به نام فلوژیستون.

فلوژیستون به مرکز نظریه ای گسترده تبدیل شد که بر اندیشه شیمیایی قرن هجدهم تسلط داشت. به طور خلاصه، تصور می شد که فلوژیستون ماده ای مادی است که قابلیت احتراق را تعریف می کند. هنگامی که آهن فلزی قرمز رنگ می شود، فلوژیستون خود را از دست می دهد، درست مانند یک کنده در حال سوختن. خاکستر چوب و قرمز رنگ “خاکستر” (calx) آهن دیگر نمی توانند بسوزند زیرا دیگر حاوی اصل اشتعال یا فلوژیستون نیستند. اما کلکس آهن اگر در حضور یک ماده غنی از فلوژیستون مانند زغال سنگ به شدت گرم شود، می تواند دوباره به فلز تبدیل شود. زغال چوب فلوژیستون خود را اهدا می کند (خود خاکستر می شود)، در حالی که کالکس به آهن فلزی مذاب تبدیل می شود. بنابراین، ذوب (کاهش) سنگ معدن فلزی نیز می تواند در شرایط فلوژیستیک درک شود. فلوژیستونیست های بعدی تنفس را به تعدادی از پدیده هایی که این نظریه می تواند توضیح دهد اضافه کردند. یک حیوان هوا را تنفس می کند و فلوژیستون را در قیاس با آتش آهسته منتشر می کند که توسط غذای غنی از فلوژیستون مصرف می شود. جو زمین از تجمع بیش از حد فلوژیستون جلوگیری می کند زیرا گیاهان آن را در بافت های گیاهی قابل احتراق می گنجانند که می تواند به عنوان غذای حیوانات استفاده شود. احتراق، تکلیس یا تنفس در نهایت در یک فضای بسته متوقف می شود زیرا هوا ظرفیت محدودی برای جذب فلوژیستون ساطع شده از ماده سوزان، کلسینه یا تنفس دارد.

نظریه فلوژیستون هم به دلیل موفقیت زیادش در توضیح پدیده ها و هدایت تحقیقات بیشتر و هم به دلیل تمایل روشنگری خاص به نظریه های فیزیکی مادی (مایع فرضی گرما به عنوان کالری شناخته شد و سیالات پیشنهادی دیگری از الکتریسیته و نور وجود داشت) رایج شد. ، و غیره). این گرایش ماتریالیستی-مکانیستی را می توان در تأثیر پراکنده اما قدرتمند نیوتن و رنه دکارت بر شیمیدانان قرن هجدهم نیز مشاهده کرد. شیمیدانان روشنگری جوامع علمی متمایز و یک رشته کاملاً تعریف شده (که مطمئناً با مطالعات پزشکی و صنایع دستی نزدیک بود) در کشورهای عمده اروپا تأسیس کردند. محل کار یا آزمایشگاه شیمیدان (خود کلمه در رنسانس برای کاربرد در هنرهای شیمیایی ابداع شده بود) اکنون ارتباط نزدیکی با این رشته داشت و مجموعه استانداردی از عملیات در آنجا تدریس می شد.

هنوز برخی از مسائل اساسی مربوط به ترکیب شیمیایی حل نشده بود. برای یک فلوژیستونیست، کالک فلزی عنصری بود و فلز مرتبط ترکیبی از کالکس به اضافه فلوژیستون بود. با این حال، این موضوع برخی را متحیر کرد، زیرا این فلز به جای کاهش وزن، زمانی که ظاهراً فلوژیستون را از دست داد و تبدیل به کالکوس شد، وزن خود را افزایش داد. این مسائل در دهه 1770 تشدید شد، زمانی که جوزف پریستلی شیمیدان مجرب انگلیسی (و وزیر متحدگرا) با حرارت دادن برخی مواد معدنی گاز جدیدی تولید کرد. یک شمع با قدرت فوق العاده ای در این گاز می سوخت و در یک فضای بسته، موشی که آن را تنفس می کرد، بسیار بیشتر از چیزی که در هوای معمولی می توانست زنده بماند. توضیح پریستلی این بود که گاز جدید به طور بنیادی تخلیه شده است و بنابراین ظرفیت بسیار بیشتری نسبت به هوا برای جذب فلوژیستون دارد.

در واقع، گازها (در آن زمان معمولاً به عنوان هوا شناخته می‌شدند) یک شی نسبتاً جدید مورد توجه شیمیایی بودند. در سال 1756 در اسکاتلند، جوزف بلک گازی را که در تنفس و احتراق منتشر می‌شود مطالعه کرد و آن را از نظر شیمیایی و به دنبال مشارکت آن در واکنش‌های شیمیایی مشخص کرد. (بلک، یک پزشک، شیمی را به‌عنوان شاخه‌ای از پزشکی تدریس می‌کرد، مانند اکثر شیمی‌دانان دانشگاهی این دوره.) او گاز جدید را «هوای ثابت» نامید، زیرا در برخی مواد معدنی مانند سنگ آهک نیز «ثابت» یافت می‌شد. کشف او مبنی بر اینکه این گاز جزء معمولی هوای معمولی است (مطمئناً در کسری از درصد) اولین نشانه روشنی بود که هوای اتمسفر مخلوطی بود تا یک عنصر همگن. در ربع قرن بعد، بسیاری از گازهای جدید توسط کارگرانی مانند پریستلی، فیزیکدان و شیمیدان انگلیسی هنری کاوندیش، و داروساز سوئدی کارل شیل، کشف و مورد مطالعه قرار گرفت.

انقلاب شیمیایی

تحقیقات جدید در مورد “هواها” توجه اشراف جوان فرانسوی آنتوان لوران لاووازیه را به خود جلب کرد. لاووازیه هم ثروت و هم درخشش علمی را در اختیار داشت تا بتواند دستگاه های پیچیده ای بسازد تا آزمایش های مبتکرانه متعدد خود را انجام دهد. در طول تنها چند سال در دهه 1770، لاووازیه یک سیستم رادیکال جدید از شیمی را بر اساس روش‌های بلک و هوای تخلیه شده پریستلی توسعه داد.

لاووازیه ابتدا مشخص کرد که برخی از فلزات و غیرفلزات، یک ماده گازی را از هوا جذب می‌کنند تا در جریان کلسینه شدن یا احتراق قرار گیرند و در این فرآیند وزنشان افزایش یابد. در ابتدا، او فکر کرد که این گاز باید هوای ثابت بلک باشد، زیرا او هیچ گونه شیمیایی دیگری را در هوای معمولی نمی‌دانست. علاوه بر این، مشخص بود که هوای ثابت در ذوب تولید می شود، بنابراین منطقی به نظر می رسید که فکر کنیم در کاسه ای که ذوب شده بود وجود دارد. در این مرحله (اکتبر 1774)، پریستلی کشف خود را در مورد هوای تخلیه شده به لاووازیه اطلاع داد. آزمایش‌های بیشتر باعث شد که لاووازیه دائماً ایده‌های خود را اصلاح کند، تا اینکه سرانجام برای او روشن شد که این گاز جدید، و نه هوای ثابت، موجود فعال در احتراق، تکلیس و تنفس است. علاوه بر این، او تشخیص داد (یا حداقل فکر می کرد) که این گاز در تمام اسیدها وجود دارد. او نام آن را اکسیژن به یونانی «تولیدکننده اسید» تغییر داد.

اکسیژن لاووازیه از برخی جهات معکوس فلوژیستون بود. مواد قابل احتراق یا فلز به جای آزاد کردن چیزی، در فرآیندی که لاووازیه اکنون آن را اکسیداسیون می نامد، اکسیژن را جذب می کند (به طور دقیق تر، ترکیب شیمیایی با). او نشان داد که هوای اتمسفر مخلوطی از دو جزء اصلی، اکسیژن و یک گاز بی اثر فیزیولوژیکی (معروف به پریستلی) است که او آزوت یا نیتروژن نامیده است. او همچنین نشان داد که آب ترکیبی شیمیایی از دو ماده است، اکسیژن و چیزی که کاوندیش آن را «هوای قابل اشتعال» نامیده بود. گاز اخیر اکنون به هیدروژن (“تولید کننده آب”) تغییر نام داد. ثابت شد که هوای ثابت بلک شکل گازی کربن اکسید شده یا دی اکسید کربن است. بخش های مختلف سیستم جدید لاووازیه به زیبایی در کنار هم قرار می گرفتند.

کلیدهای موفقیت لاووازیه دو چیز بود. اول، او با ردیابی وزن آنها با بیشترین دقت ممکن، تمام مواد، از جمله گازها را که وارد واکنش های شیمیایی می شوند و از آنها خارج می شوند، حساب کرد. او می‌دانست که این کار را تا حدی از مثال بلک انجام می‌دهد، اما با تسلطی پیش رفت که علم قبلاً هرگز آن را ندیده بود. دوم، او یک تعریف عملیاتی ساده از یک عنصر شیمیایی ارائه کرد – یعنی ماده ای که نمی توان وزن آن را در نتیجه هر واکنش شیمیایی که متحمل می شود کاهش داد. اکنون اکسیژن، کربن، آهن و گوگرد به همراه نزدیک به 30 ماده دیگر به عنوان عناصر در نظر گرفته می شدند. لاووازیه یک کتاب درسی برای ترویج شیمی اکسیژن شناسی جدید به نام Traité élémentaire de chimie (1789) نوشت که در همان سال آغاز انقلاب فرانسه ظاهر شد. او و همکارانش همچنین یک نامگذاری جدید – که اساساً امروزه برای ترکیبات معدنی استفاده می شود – به همراه یک مجله جدید ایجاد کردند. لاووازیه به‌عنوان یک اشراف رژیم قدیمی و سرمایه‌گذار در آژانس جمع‌آوری مالیات، در دوره حکومت وحشت اعدام شد، اما در آن زمان (1794) انقلاب شیمیایی که او آغاز کرده بود تا حد زیادی در جایگزینی شیمی فلوژیستونیستی موفق شد.

نظریه اتمی و مولکولی

مجموعه عناصر شیمیایی لاووازیه و روش جدید درک ترکیبات شیمیایی، برای شیمی تحلیلی و معدنی بسیار ارزشمند است، اما به معنای واقعی، انقلاب شیمیایی تازه شروع شده بود. در حدود اوایل قرن، جان دالتون، معلم مدرسه کویکر انگلیسی، شروع به تعجب در مورد ذرات نامرئی نهایی نهایی کرد که هر یک از این مواد عنصری ممکن است از آنها تشکیل شده باشد. او فکر می‌کرد که اگر اتم‌های هر یک از عناصر متمایز باشند، باید با وزنی مشخص مشخص شوند که برای هر عنصر منحصر به فرد است. اگرچه این اتم‌ها برای وزن جداگانه بسیار کوچکتر از آن بودند، او متوجه شد که می‌تواند وزن آنها را نسبت به یکدیگر مقایسه کند – برای مثال، نسبت وزن یک اتم اکسیژن به هیدروژن – با بررسی وزن‌های واکنش‌دهنده مقادیر ماکروسکوپی این عناصر در واقع، قوانین استوکیومتری (ترکیب وزن عناصر) در آن زمان در حال توسعه بودند و دالتون از این نظم ها برای توجیه استنتاج های خود استفاده کرد. اولین بحث او در مورد این مسائل به سال 1803 برمی گردد، و او نظریه اتمی خود را در چند جلدی سیستم جدید فلسفه شیمی (27-1808) ارائه کرد.

نظریه اتمی دالتون یک رویداد برجسته در تاریخ شیمی بود، اما یک نقص اساسی داشت. روش او مستلزم دانستن فرمول ترکیبات ساده حاصل از ترکیب عناصر بود. به عنوان مثال، داده های تحلیلی آن روز نشان می دهد که آب از ترکیب هفت قسمت وزنی اکسیژن با یک قسمت هیدروژن حاصل می شود. اگر مولکول آب به دست آمده HO بود (یک اتم از هر عنصر ترکیب می‌شود و مولکول آب را تشکیل می‌دهد)، پس نسبت وزنی اتم‌های این عناصر باید یکسان باشد، هفت به یک. با این حال، اگر فرمول H2O بود، وزن یک اتم اکسیژن باید 14 برابر وزن یک اتم هیدروژن باشد. در آن زمان هیچ راهی برای تعیین فرمول های مولکولی وجود نداشت، بنابراین دالتون بر اساس سادگی طبیعت فرضیاتی را مطرح کرد. او HO را به عنوان فرمول آب و در نتیجه هفت را به عنوان وزن اتمی نسبی اکسیژن انتخاب کرد.

در سال‌های بعد، چندین شیمیدان برجسته عناصر اساسی نظریه دالتون را پذیرفتند، اما بسیاری به عناصر فرضی که توضیح داده شد اعتراض کردند. برخی نیز در مورد امکان تحقیق در جهان نامرئی کوچک تردید داشتند. در سال 1808 شیمیدان فرانسوی ژوزف-لوئیس گیلوساک کشف کرد که وقتی گازها از نظر شیمیایی با هم ترکیب می شوند، این کار را در مضرب های انتگرال کوچک بر حسب حجم انجام می دهند. سه سال بعد، آمدئو آووگادرو، فیزیکدان ایتالیایی، استدلال کرد که این واقعیت نشان می دهد که حجم گازهای مساوی حاوی تعداد مساوی ذرات تشکیل دهنده هستند (قانون آووگادرو)، که شرایط فیزیکی یکسان است. این ایده یک روش فیزیکی برای تعیین فرمول های مولکولی خاص ارائه می دهد. به عنوان مثال، گیلوساک اشاره کرده بود که دقیقاً دو حجم هیدروژن با یکی از اکسیژن ترکیب می شود و آب را تشکیل می دهد. اگر آووگادرو درست می گفت، فرمول آب باید H2O باشد. اما این خط استدلال همچنین منجر به این تصور ناخوشایند شد که گازهای اولیه دارای مولکول های چند اتمی (O2، H2 و غیره) هستند و بنابراین بسیاری از شیمیدانان فرضیه های آووگادرو را رد کردند.

بزرگترین اتم گرایان اولیه سوئدی یونس یاکوب برزلیوس بود که بخش هایی از ایده های آووگادرو را پذیرفت و تا سال 1826 نسخه مفصلی از اتمیسم شیمیایی را توسعه داد. فرمول‌های مولکولی و استفاده از فرمول‌ها به‌عنوان کمکی برای مطالعه ترکیبات شیمیایی و واکنش‌ها در حدود سال 1830 شروع به شکوفا شدن کرد. با این حال، شیمی‌دانان مختلف هنوز در مورد فرمول‌های ترکیبات ساده مانند آب، مفروضات متفاوتی را مطرح می‌کردند، و بنابراین، برای دهه‌ها، ناسازگاری‌های مختلف وجود داشت. سیستم های وزن اتمی و فرمول ها در کشورهای مختلف اروپایی استفاده می شد.

برزلیوس همچنین بر اساس مطالعات الکتروشیمیایی که اختراع باتری (1800) ایجاد کرده بود، یک نظریه ترکیب شیمیایی ایجاد کرد. او متقاعد شد که تمام مولکول ها توسط نیروی کولن، جاذبه الکترواستاتیکی بین اجسام دارای بار مخالف، در کنار هم نگه داشته می شوند. (برزلیوس فرض می‌کرد که اتم‌های تشکیل‌دهنده یک مولکول یا گروه‌هایی از اتم‌ها خنثی نیستند، و او این اجزای باردار را رادیکال نامید.) این نظریه دوگانگی الکتروشیمیایی با ترکیبات معدنی به خوبی کار می‌کرد، اما مواد آلی غیرعادی به نظر می‌رسیدند. به ویژه در دهه 1830، زمانی که شیمیدانان یاد گرفتند که چگونه هیدروژن ترکیبات آلی را با اتم های کلر جایگزین کنند، به نظر می رسید که نظریه برزلیوس در معرض تهدید قرار گرفته باشد – به هر حال، هیدروژن و کلر دارای ویژگی های الکتروشیمیایی متضادی بودند، با این حال به نظر می رسید که جایگزینی تفاوت چندانی در خواص مواد ایجاد نمی کند. ترکیبات در دهه‌های 1840 و 1850، بحث‌های گسترده در مورد سیستم‌های رقیب اتمیسم شیمیایی و دوگانگی الکتروشیمیایی، ادبیات مجله را زنده کرد.

رادیکال های آلی و نظریه ساختار شیمیایی

هر دو مشکل در نهایت از طریق توسعه بیشتر شیمی آلی حل شدند. شیمیدانان آلی پیشرو آن روز، ژوستوس فون لیبیگ آلمانی و ژان باپتیست آندره دوما فرانسوی بودند. در سال 1830 لیبیگ دستگاهی را اختراع کرد که تجزیه و تحلیل آلی را سریع، راحت و دقیق می کرد و موسسه آزمایشگاهی او در دانشگاه کوچک گیسن در هسن به معروف ترین مدرسه شیمی در جهان تبدیل شد. لیبیگ به تعداد زیادی شیمیدان آموزش داد و شاگردانش در برنامه تحقیقاتی او کمک کردند. او در ظهور دانشگاه پژوهشی و ایده تشکیل یک گروه پژوهشی چهره پیشرو بود. او به عنوان استاد در گیسن، و بعداً در دانشگاه مونیخ، تأکید زیادی بر کاربردهای عملی شیمی، به ویژه برای فیزیولوژی، کشاورزی و محصولات مصرفی داشت. دوما نفوذ مشابهی را در فرانسه اعمال کرد و دانشجویان را آموزش داد و در یک آزمایشگاه خصوصی در پاریس تحقیق کرد.

هم لیبیگ و هم دوما در ابتدا طرح برزلی را پذیرفتند و به دنبال درک مولکول های آلی به عنوان متشکل از رادیکال های قابل شناسایی بودند که به صورت الکتروشیمیایی در کنار هم قرار دارند. شیمیدانان جوان فرانسوی آگوست لورن و چارلز گرهارت واکنشهای جایگزینی کلر را دنبال کردند و در مورد این مدل ساده تردید ایجاد کردند. مدتی پس از 1840 لیبیگ و دوما هر دو به سمت پوزیتیویسم عقب نشینی کردند. در سال 1852، ادوارد فرانکلند، دستیار سابق فوق‌دکتری لیبیگ، متوجه نظمی در ظرفیت ترکیب اتم‌های برخی فلزات و نیمه فلزات شد. تقریباً در همان زمان، دو دانشجوی سابق لیبیگ و دوما، الکساندر ویلیامسون در لندن و چارلز آدولف ورتز در پاریس، به طور مستقل از جهتی متفاوت به یک ایده نزدیک می شدند. با استفاده از سیستمی از وزن‌های اتمی و فرمول‌هایی که توسط گرهارت و لوران توسعه داده شد – نسخه اصلاح‌شده‌ای از سیستم برزلیوس که ایده‌های آووگادرو را به‌طور پیوسته‌تری در خود جای داده بود – آنها پیشنهاد کردند که اتم‌های اکسیژن می‌توانند با دو اتم ساده دیگر مانند هیدروژن یا با دو رادیکال آلی ترکیب شوند. که اتم های نیتروژن می توانند با سه اتم ترکیب شوند. این آغاز مفهوم ظرفیت اتمی بود.

در سال 1858، آگوست ککوله، نظریه‌پرداز جوان آلمانی، این مفهوم را به کربن گسترش داد و نه تنها پیشنهاد کرد که اتم‌های کربن چهار ظرفیتی هستند، بلکه این ایده را اضافه کرد که می‌توانند به یکدیگر پیوند برقرار کنند تا زنجیره‌ای تشکیل دهند که شامل یک «اسکلت» مولکولی است که اتم‌های دیگر می‌توانند به آن بچسبند. . نظریه ساختار شیمیایی Kekule ترکیبات صدها ترکیب آلی را روشن کرد و به عنوان راهنمای سنتز هزاران ترکیب دیگر عمل کرد. (خود زنجیره ای اتم های کربن به طور مستقل توسط شیمیدان اسکاتلندی آرچیبالد اسکات کوپر ایجاد شد.) این نظریه زمانی که ککوله با موفقیت آن را در ترکیبات معطر به کار برد (پس از 1865) و پس از یاکوبوس هنریکوس وان هاف هلندی و جوزف، گسترش چشمگیری را تجربه کرد. LeBel از فرانسه به طور مستقل شروع به بررسی ساختارهای مولکولی در سه بعد کرد – که بعداً استریوشیمی نامیده شد.

قانون تناوبی مندلیف

نوآوری های ککوله ارتباط نزدیکی با جنبش اصلاحاتی داشت که در دهه 1850 به دنبال جایگزینی سیستم های وزن اتمی متعدد با پیشنهاد گرهارت و لوران بود. در واقع، ککوله اگر با اوزان اتمی اصلاح شده شروع نمی کرد، نمی توانست در نظریه ساختار موفق شود. Kekule، Wurtz و شیمیدان آلمانی Carl Weltzien سازمان دهندگان اولین کنفرانس بین المللی شیمیایی بودند که در کارلسروهه در جنوب غربی آلمان در سپتامبر 1860 برگزار شد، که هدف آن به دست آوردن وحدت و تفاهم در سراسر جامعه شیمیایی اروپا بود. استانیسلائو کانیتزارو شیمیدان ایتالیایی شاید مهم ترین نقش را در این کنفرانس ایفا کرد. موفقیت اصلاح‌طلبان ناقص بود، اما کنگره کارلسروهه می‌تواند به عنوان نمادی مناسب از دورانی باشد که شیمی به ظاهر مدرن و قابل تشخیصی دست یافت.

به نظر می رسد که پذیرش گسترده یک مجموعه اصلاح شده از وزن های اتمی برای عناصر شناخته شده 60 نفری باعث گمانه زنی های تازه ای در مورد روابط عناصر با یکدیگر شده است و پیشنهادات مختلفی برای سیستم های طبقه بندی در دهه 1860 ارائه شد. تا حد زیادی موفق ترین این سیستم ها شیمیدان روسی دیمیتری مندلیف بود. در سال 1869 او اعلام کرد که هنگامی که عناصر به صورت افقی بر اساس وزن اتمی فزاینده چیده شدند و هر زمان که خصوصیات مشابهی در عناصر دوباره ظاهر شد، یک ردیف افقی جدید زیر ردیف اول شروع شد، سپس جدول نیمه مستطیلی حاصل تناوب های ثابت را نشان داد. ستون های عمودی عناصر مشابه را گروه ها یا خانواده ها و کل آرایه را جدول تناوبی عناصر می نامیدند. مندلیف نشان داد که این شیوه نگاه به عناصر بیش از یک شانس محض است، زمانی که او توانست از قانون تناوبی خود برای پیش‌بینی وجود سه عنصر جدید، که بعدها گالیم، اسکاندیم و ژرمانیوم نام‌گذاری کردند، استفاده کند که در دهه 1870 کشف شد.

دهه 80 مطمئناً هنوز ناهنجاری های زیادی وجود داشت. به عنوان مثال، 15 عنصر خاکی کمیاب مشابه شیمیایی تا پایان قرن کشف شد. این عناصر در برابر هر سیستم تناوبی مقاوم بودند. در نهایت آنها با هم در یک دسته جداگانه، لانتانیدها (که بعداً لانتانوئید نامیده شد؛ عنصر انتقال را ببینید) گروه بندی شدند. سپس در دهه 1890 دانشمندان بریتانیایی ویلیام رمزی و لرد رایلی گازهای بی اثر یا نادر آرگون، هلیوم، نئون، کریپتون و زنون را کشف کردند. همه اینها به وضوح اعضای یک خانواده شیمیایی واحد بودند، اما هیچ فضای خالی در جدول برای آنها وجود نداشت. بلافاصله پس از آغاز قرن بیستم، شیمیدانان تصمیم گرفتند به سادگی یک گروه اضافی برای آنها ایجاد کنند.

ایده‌های ساختارگرایانه از شیمی آلی، و همچنین توسعه جدول تناوبی، انگیزه جدیدی به مطالعه ترکیبات معدنی در اواخر قرن نوزدهم داد. با این حال، رشته شیمیایی پیشرو در نیمه دوم قرن، به وضوح شیمی آلی بود و کشور پیشرو آلمان بود. این آلمانی ها بودند که از تئوری ساختار به شدت استفاده کردند و موفقیت آنها با رشد انفجاری مؤسسات دانشگاهی و همچنین با کاربردهای عملی توسعه یافته در شرکت های تجاری اندازه گیری شد. شیمیدانان آلی مانند آگوست ویلهلم فون هافمن و امیل فیشر در دانشگاه برلین و آدولف فون بایر در دانشگاه مونیخ گروه های تحقیقاتی بزرگی را ایجاد کردند که ترکیبات جدید، انتشارات تحقیقاتی و پایان نامه های دکترا را با امتیاز به دست آوردند. در اواخر قرن نوزدهم، شیمی آلمانی، چه دانشگاهی و چه صنعتی، بر اروپا و جهان تسلط یافت.

ظهور شیمی فیزیک

این بدان معنا نیست که سایر رویکردهای شیمی نادیده گرفته شده اند، و یا کشورهای دیگر نتوانسته اند در این هیجان شرکت کنند. مطالعات فیزیکی ترکیبات و واکنش های شیمیایی در اوایل قرن آغاز شد و رشته شیمی فیزیک در دهه 1880 به بلوغ رسید. مایکل فارادی در انگلستان، هرمان کوپ و رابرت بونسن در آلمان و هانری ویکتور رگنو در فرانسه تحقیقاتی را بر روی خصوصیات فیزیکی مواد در دوره 60-1830 انجام دادند. مطالعات گرما، کار و نیرو منجر به ظهور ترمودینامیک در حدود سال 1850 شد. در ابتدا تقریباً به طور کامل به علم فیزیک گرایش داشتند، چهره هایی مانند جوزیا ویلارد گیبز آمریکایی، مارسلین برتلو و پیر دوهم فرانسوی ها، و آلمانی ها هرمان فون هلمهولتز و ویلهلم استوالد سپس در دهه های 1870 و 1880 مفاهیم انرژی و آنتروپی را در شیمی به کار بردند. . الکتروشیمی که با تلاش های مستقل برزلیوس و هامفری دیوی در انگلستان در آغاز قرن اختراع شد، توسط فارادی و دیگران به طور پرباری دنبال شد. Bunsen و Gustav Kirchhoff آلمانی در اواخر دهه 1850 طیف سنجی شیمیایی را توسعه دادند. مطالعات بر روی سینتیک واکنش های شیمیایی در دهه 1860 آغاز شد.

همه این کارها با تأسیس «رسمی» رشته شیمی فیزیک به اوج خود رسید، که به طور سنتی زمانی در نظر گرفته می‌شد که Zeitschrift für Physikalische Chemie  (ژورنال شیمی فیزیک) در سال 1887 منتشر شد. با سوانته آرنیوس از سوئد، جایزه نوبل آینده، یکی از اعضای مهم هیئت تحریریه آن. مناقشات بر سر واقعیت تفکیک یونی و سایر مسائل مرتبط با الکتروشیمی، تئوری محلول‌ها و ترمودینامیک، شماره‌های اولیه این مجله را زنده کرد.

شیمی فیزیکدانان تقاضای فزاینده ای داشتند زیرا دانشگاه ها برای آموزش دروس پایه شیمی عمومی و نظری به آنها مراجعه کردند. این در هیچ کجا به اندازه ایالات متحده صادق نبود، با ساختار آموزشی به شدت در حال گسترش آن، از جمله دانشگاه های خصوصی و دولتی (اعطای زمین) و برنامه های دکترای نوظهور تحت تأثیر آلمان. اندکی پس از آغاز قرن، دو شیمیدان در موسسه فناوری ماساچوست (MIT) که با استوالد، آرتور نویز و گیلبرت لوئیس مطالعه کرده بودند، هسته یک جامعه شیمیایی در حال رشد آمریکا را تشکیل دادند. نویس کار خود را در تروپ پلی تکنیک در پاسادنا (که بعداً به موسسه فناوری کالیفرنیا که معمولاً به نام Caltech نامیده می شود تغییر نام داد) ادامه داد و لوئیس به دانشگاه کالیفرنیا در برکلی رفت.

شیمی فیزیک عمیقاً با آنچه که برخی آن را انقلاب علمی دوم می نامند، یعنی اکتشافات الکترون، اشعه ایکس، رادیواکتیویته و عناصر رادیواکتیو جدید، درک انتشارات رادیواکتیو و فرآیندهای فروپاشی هسته ای، و نسخه های اولیه تئوری ها تغییر کرد. مکانیک کوانتومی و نسبیت همه اینها تنها در 10 سال یعنی از 1895 تا 1905 اتفاق افتاد و بمب های علمی در سال های بعد ادامه یافت. در سال 1911، ارنست رادرفورد، فیزیکدان بریتانیایی، مدل هسته‌ای اتم را پیشنهاد کرد، اما به نظر می‌رسید که الکترون‌های در حال چرخش او نظریه کلاسیک الکترومغناطیسی را نقض می‌کنند و این مدل بلافاصله مورد استقبال قرار نگرفت. با این حال، دو سال بعد، نیلز بور، فیزیکدان دانمارکی، برخی از این ناهنجاری ها را با استفاده از داده های طیف سنجی و نظریه کوانتومی فیزیکدانان آلمانی ماکس پلانک و آلبرت انیشتین در مدل رادرفورد حل کرد (شکل را ببینید). بور در ادامه سرپرستی یک گروه تحقیقاتی نظری بین‌المللی در کپنهاگ را بر عهده گرفت که در دهه 1920 به توسعه مکانیک کوانتومی منجر شد. در این بین، رادرفورد وجود پروتون را آشکار کرد و انیشتین نظریه نسبیت عام خود را پیش برد.

نظریه های الکترونیکی ظرفیت

شیمیدان ها در تمام این مدت دست روی دست نگذاشتند. از زمان کشف آن در نیم قرن قبل، یکی از بزرگترین معماهای شیمی، پدیده ظرفیت بود. این که اتم‌های اکسیژن دقیقاً دو «قلاب» ظرفیتی دارند که با آن پیوند تشکیل می‌دهند و کربن معمولاً چهار ظرفیتی دارد، به همان اندازه غیرقابل توضیح بود (یعنی اکسیژن دو ظرفیتی است، کربن چهار ظرفیتی). علاوه بر این، این پیوندها مانند بارهای الکترواستاتیکی یا گرانش متقارن شعاعی نبودند، اما به نظر می‌رسید که در زوایای فضایی مشخصی در اطراف اتم هدایت شوند. و وجود مولکول های بنیادی بسیار پایدار مانند H2 کاملاً شرم آور بود – زیرا چه چیزی می تواند مبنایی برای جذب قوی دو اتم یکسان برای یکدیگر باشد؟ برخی از دانشمندان، مانند شیمیدان بزرگ سوئیسی، آلفرد ورنر، از ترکیبی از نظریه‌های ساختاری آلی و یونی برای ایجاد طرحی استفاده کردند که ساختار مواد معدنی پیچیده معروف به ترکیبات کئوردینانسی را به طرز درخشانی توضیح می‌داد.

در اوایل سال 1902، با در نظر گرفتن کار فیزیکدان انگلیسی  J.J. تامسون، ورنر، و رمزی و ریلی روی گازهای کمیاب، لوئیس به طور خصوصی تئوری درنظر داشت که اتم‌های مکعبی را با الکترون‌های بیرونی نشان می‌داد که اولین گام به سوی یک نظریه الکترونیکی پیوند شیمیایی بود. با این حال، تنها پس از آنکه رادرفورد و بور توسعه اولیه نظریه هسته‌ای اتم را ارائه کردند، (به طور همزمان و مستقل، فیزیکدان آلمانی، والتر کوسل، نظریه مشابهی را منتشر کرد.) لوئیس پیشنهاد کرد که یک پیوند شیمیایی شامل یک جفت الکترون است که بین اتم های ترکیب شده مشترک است. با اشتراک مساوی الکترونها (که شیمیدان فیزیک آمریکایی را ایروینگ لانگمویر به زودی پیوند کووالانسی نامید) هر اتم می تواند پوسته الکترونی بیرونی خود را کامل کند و در نتیجه به ثبات برسد. لوئیس فکر می کرد که پوسته بیرونی به طور معمول کامل شامل هشت الکترون است. پیکربندی گازهای نادر به طور قابل توجهی پایدار (یعنی بی اثر). این قانون هشتگانه بود و به توضیح اینکه چرا دوره های تناوبی مندلیف اغلب مضرب هشت می شد کمک کرد.

بیوشیمی، پلیمرها و فناوری

شیمی آلی، البته، نه تنها در جهت فیزیک و شیمی فیزیک، بلکه، و حتی بیشتر، در جهت زیست شناسی نیز مد نظر است. بیوشیمی با مطالعه مواد مشتق شده از گیاهان و حیوانات آغاز شد. در حدود سال 1800 بسیاری از این مواد شناخته شده بودند و شیمی شروع به کمک به فیزیولوژی در درک عملکرد بیولوژیکی کرده بود. ماهیت دسته‌های شیمیایی اصلی غذاها – پروتئین‌ها، لیپیدها و کربوهیدرات‌ها – در نیمه اول قرن بررسی شد. در پایان قرن، نقش آنزیم ها به عنوان کاتالیزورهای آلی مشخص شد و اسیدهای آمینه به عنوان اجزای تشکیل دهنده پروتئین ها درک شدند. شیمیدان برجسته آلمانی، امیل فیشر، ماهیت و ساختار بسیاری از کربوهیدرات ها و پروتئین ها را تعیین کرد. اعلام کشف (1912) ویتامین ها، به طور مستقل توسط کازیمیر فانک، بیوشیمیدان آمریکایی لهستانی الاصل و فردریک هاپکینز، بیوشیمیدان انگلیسی، انقلابی را در بیوشیمی و تغذیه انسان ایجاد کرد. به تدریج، جزئیات متابولیسم واسطه – روشی که بدن از مواد مغذی برای انرژی، رشد و ترمیم بافت استفاده می کند آشکار شد. شاید معرف ترین نمونه از این نوع کارها، بیوشیمیدان آلمانی الاصل بریتانیایی، هانس کربس، چرخه اسید تری کربوکسیلیک یا چرخه کربس را در دهه 1930 ایجاد کرد.

اما چشمگیرترین کشف در تاریخ بیوشیمی قرن بیستم مطمئناً ساختار  (DNA )اسید دی اکسی ریبونوکلئیک بود که توسط ژنتیک آمریکایی، جیمز واتسون و بیوفیزیکدان بریتانیایی فرانسیس کریک در سال 1953 فاش شد مارپیچ دوگانه معروف. درک جدید از مولکولی که کد ژنتیکی را در خود جای داده است، یک پیوند اساسی بین شیمی و زیست شناسی ایجاد کرد، پلی که ترافیک زیادی بر روی آن جریان دارد. “حروف” منفرد که کد را می سازند چهار نوکلئوتید به نام های آدنین، گوانین، سیتوزین و تیمین – یک قرن پیش کشف شدند، اما تنها در پایان قرن بیستم می توان توالی این حروف را در ژن های سازنده DNA کشف کرد. در ژوئن 2000، نمایندگانی از پروژه ژنوم انسانی ایالات متحده با بودجه عمومی و از شرکت خصوصی Celera Genomics در Rockville، Md.، به طور همزمان توالی یابی مستقل و تقریباً کامل بیش از سه میلیارد نوکلئوتید در ژنوم انسان را اعلام کردند. با این حال، هر دو گروه تأکید کردند که این دستاورد بزرگ، در منظری وسیع‌تر، تنها پایان یک مسابقه برای رسیدن به خط شروع است.

البته DNA یک ماکرومولکول است، و درک این دسته از ترکیبات شیمیایی بسیار مهم، پیش شرطی برای رویدادهایی بود که توضیح داده شد. نشاسته، سلولز، پروتئین ها و لاستیک نمونه های دیگری از ماکرومولکول های طبیعی یا پلیمرهای بسیار بزرگ هستند. کلمه پلیمر (به معنی “چند قسمت”) توسط برزلیوس در سال 1830 ابداع شد، اما در قرن نوزدهم فقط در موارد خاص مانند اتیلن (C2H4) در مقابل بوتیلن  (C4H8) به کار رفت. تنها در دهه 1920 شیمیدان آلمانی هرمان استودینگر به طور قطع ادعا کرد که کربوهیدراتهای پیچیده و لاستیک دارای مولکولهای عظیم هستند. او کلمه ماکرومولکول را ابداع کرد و پلیمرها را متشکل از واحدهای مشابهی دانست که صدها عدد سر به دم به هم متصل شده و با پیوندهای شیمیایی معمولی به هم متصل شده اند.

با این حال، کار تجربی روی پلیمرها مدت‌ها قبل از مشارکت استادینگر بود. نیتروسلولز در تولید باروت بدون دود استفاده شد و مخلوط نیتروسلولز با سایر ترکیبات آلی به اولین پلیمرهای تجاری منجر شد: کلودیون، زایلونیت و سلولوئید. آخرین آنها اولین پلاستیک بود. اولین پلاستیک کاملاً مصنوعی توسط لئو باکلند در سال 1909 به ثبت رسید و باکلیت نام گرفت. بسیاری از پلاستیک های جدید در دهه های 1920، 30 و 40 معرفی شدند، از جمله نسخه های پلیمریزه شده اسید اکریلیک (انواع اسید کربوکسیلیک)، وینیل کلرید، استایرن، اتیلن و بسیاری دیگر. نایلون والاس کاروترز در طول سال های جنگ جهانی دوم توجه فوق العاده ای را به خود جلب کرد. همچنین تلاش زیادی برای توسعه جایگزین‌های مصنوعی برای لاستیک – یک منبع طبیعی که به‌ویژه در زمان جنگ با کمبود مواجه بود – انجام شد. قبلاً در جنگ جهانی اول، شیمیدانان آلمانی مواد جایگزین داشتند، اگرچه بسیاری از آنها کمتر از رضایت بخش بودند. اولین جایگزین های بسیار موفق لاستیک در اوایل دهه 1930 تولید شد و در جنگ جهانی دوم اهمیت زیادی داشت.

در طول دوره بین دو جنگ، نقش اصلی شیمی از آلمان دور شد. این عمدتاً نتیجه جنگ 1914-1918 بود که کشورهای متفقین را نسبت به میزان وابستگی آنها به صنایع شیمیایی آلمان آگاه کرد. رنگ‌ها، داروها، کودها، مواد منفجره، مواد فتوشیمیایی، مواد شیمیایی غذایی (مانند مواد شیمیایی برای افزودنی‌های غذایی، رنگ‌های غذایی و نگهداری مواد غذایی)، مواد شیمیایی سنگین و مواد استراتژیک از انواع مختلف قبل از جنگ عمدتاً توسط شرکت‌های شیمیایی آلمانی در سطح بین‌المللی عرضه می‌شدند. و هنگامی که منابع این مواد حیاتی در سال 1914 قطع شد، متفقین مجبور شدند برای جایگزینی آنها تلاش کنند.

همه اینها روشن می کند که چرا از جنگ جهانی اول گاهی به عنوان «جنگ شیمیدانان» یاد می شود، همان طور که جنگ جهانی دوم را می توان «جنگ فیزیکدانان» به دلیل سلاح های رادار و هسته ای نامید. اما شیمی یک شریک اساسی برای فیزیک در توسعه علم و فناوری هسته ای بود. در واقع، سنتز عناصر فرا اورانیوم (اعداد اتمی بیشتر از 92) نتیجه مستقیم تحقیقاتی بود که منجر به (و در طول) پروژه منهتن در جنگ جهانی دوم شد. همه اینها بخشی از میراث رئیس شیمیدانان هسته ای، گلن سیبورگ آمریکایی، کاشف یا کشف کننده 10 عنصر فرااورانیوم است. در سال 1997، عنصر 106 به افتخار وی دریاچه نامگذاری شد.

انقلاب ابزاری در شیمی

تا آنجا که به عمل روزانه تحقیقات شیمیایی مربوط می شود، احتمالاً چشمگیرترین تغییر در طول قرن بیستم انقلاب در روش های تجزیه و تحلیل بود. در سال 1930 شیمیدانان هنوز از روش‌های «شیمیایی مرطوب» یا لوله آزمایشی استفاده می‌کردند که در صد سال گذشته تغییر چندانی نکرده بود: آزمایش‌های معرف، تیتراسیون، تعیین نقطه‌های جوش و ذوب، تجزیه و تحلیل احتراق عنصری، استدلال‌های ساختاری مصنوعی و تحلیلی. با شروع آزمایشگاه‌های تجاری که منبعی برای آنالیزهای معمولی فراهم می‌کردند و با PH متری که نشانگرهای شیمیایی را جابجا می‌کردند، شیمیدان‌ها به طور فزاینده‌ای شروع به تکیه بر ابزار دقیق فیزیکی و متخصصان کردند تا اینکه شخصاً روش‌های شیمیایی مرطوب را مدیریت کنند. ابزار دقیق فیزیکی چشمانی تیزبین را فراهم می کند که می تواند سطح اتمی مولکولی را ببیند.

در دهه 1910 J.J. تامسون و دستیارش فرانسیس استون طیف‌نگار جرمی را برای اندازه‌گیری وزن‌های اتمی و مولکولی با دقت بالا ساخته بودند. به تدریج بهبود یافت، به طوری که در دهه 1940، طیف‌نگار جرمی به طیف‌سنج جرمی تبدیل شد – که دیگر ماشینی برای تحقیقات وزن اتمی نیست، بلکه یک ابزار تحلیلی برای شناسایی معمول ترکیبات ناشناخته پیچیده است (به طیف‌سنجی جرمی مراجعه کنید). به طور مشابه، رنگ سنجی سابقه ای طولانی داشت که به قرن قبل باز می گردد. در دهه 1940 اصول رنگ سنجی در ابزار دقیق برای ایجاد طیف وسیعی از اسپکتروفتومترهای قابل استفاده از جمله طیف سنجی مرئی، مادون قرمز، فرابنفش و رامان استفاده شد. افزودن بعدی لیزر و فناوری رایانه به طیف‌سنج‌های تحلیلی، پیچیدگی بیشتری را فراهم کرد و همچنین ابزارهای مهمی برای مطالعات سینتیک و مکانیسم واکنش‌ها ارائه کرد.

کروماتوگرافی، که برای نسل‌ها برای جدا کردن مخلوط‌ها و شناسایی وجود یک ماده هدف استفاده می‌شد، به طرز چشمگیری خودکار شد و کروماتوگرافی گازی  (GC) به ویژه توسعه شدیدی را تجربه کرد. تشدید مغناطیسی هسته ای (NMR) که از امواج رادیویی در تعامل با میدان مغناطیسی برای آشکار کردن محیط های شیمیایی اتم های هیدروژن در یک ترکیب استفاده می کند، پس از جنگ جهانی دوم نیز توسعه یافت. ماشین های NMR اولیه در دهه 1950 در دسترس بودند. در دهه 1960، آنها به عنوان ابزار تجزیه و تحلیل شیمیایی آلی بودند. همچنین در این زمان، ترکیب‌های GC-NMR معرفی شدند، که توانایی بی‌نظیری را برای شیمیدانان برای جداسازی و تجزیه و تحلیل مقادیر کوچک نمونه فراهم می‌کرد. در دهه 1980 NMR برای عموم مردم شناخته شد، زمانی که این تکنیک در پزشکی به کار رفت – اگرچه نام برنامه به تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI)تغییر یافت تا از کلمه هسته‌ای بارگذاری شده اجتناب شود.

بسیاری از روش‌های ابزاری دیگر، مانند رزونانس پارامغناطیس الکترون و پراش پرتو ایکس، توسعه شدیدی داشته‌اند. در مجموع، بین سال‌های 1930 و 1970، انقلاب تحلیلی در شیمی، عمل این علم را به کلی دگرگون کرد و پیشرفت آن را به شدت تسریع کرد. همچنین سرعت نوآوری در شیمی تجزیه در یک سوم پایانی قرن کاهش نیافته است.

شیمی آلی در قرن بیستم

هیچ تخصصی به اندازه شیمی آلی تحت تأثیر این تغییرات قرار نگرفت. مورد شیمیدان آمریکایی رابرت بی وودوارد ممکن است به عنوان مثال در نظر گرفته شود. وودوارد بهترین استاد شیمی آلی کلاسیک بود، اما در بهره برداری تهاجمی از ابزار دقیق جدید، به ویژه طیف سنجی مادون قرمز، فرابنفش و NMR نیز پیشرو بود. شهرت او در “توتال سنتز ” بود، ایجاد یک ماده آلی (معمولا طبیعی) در آزمایشگاه، که با ساده ترین مواد اولیه ممکن شروع شد. از جمله ترکیباتی که او و همکارانش سنتز کردند آلکالوئیدهایی مانند کینین و استریکنین، آنتی بیوتیک هایی مانند تتراسایکلین و مولکول بسیار پیچیده کلروفیل بود. بالاترین دستاورد وودوارد در این زمینه در واقع شش سال پس از دریافت جایزه نوبل شیمی در سال 1965 به دست آمد: سنتز ویتامین B12، یک نقطه عطف قابل توجه در پیچیدگی. پیشرفت پس از مرگ وودوارد به سرعت ادامه یافت. در سال 1994، گروهی در دانشگاه هاروارد موفق به سنتز یک محصول طبیعی فوق العاده چالش برانگیز به نام پالیتوکسین شدند که بیش از 60 مرکز استریوسنتز داشت.

این توتال سنتزها دارای نتایج عملی و علمی بوده است. قبل از “انقلاب ابزاری”، سنتز اغلب برای اثبات ساختارهای مولکولی انجام می شد. امروزه آنها عنصر اصلی جستجو برای داروهای جدید هستند. وودوارد به همراه یک نظریه‌پرداز شیمی لهستانی جوان آمریکایی به نام رولد هافمن، نکاتی را از سنتز B12 دنبال کرد که منجر به فرمول‌بندی قوانین اوربیتال متقارن شد. به نظر می‌رسید که این قوانین برای همه واکنش‌های آلی فتوشیمیایی که در یک مرحله اتفاق می‌افتند، اعمال می‌شود. سادگی و دقت پیش‌بینی‌های ایجاد شده توسط قوانین جدید، از جمله جزئیات استریوشیمیایی بسیار خاص محصول واکنش، ابزار ارزشمندی برای شیمی‌دانان آلی مصنوعی فراهم می‌کند.

استریوشیمی که در اواخر قرن نوزدهم متولد شد، در طول قرن بیستم به طور پیوسته مورد توجه قرار گرفت. ثابت شد که جزئیات سه بعدی ساختار مولکولی نه تنها برای عملکرد شیمیایی (و بیوشیمیایی) حیاتی است، بلکه تجزیه و تحلیل و سنتز آن نیز فوق‌العاده دشوار است. چندین جوایز نوبل در نیمه دوم قرن ، به درک بارتون از بریتانیا، جان کورنفورث از استرالیا، ولادیمیر پریلوگ از اتحاد جماهیر شوروی به طور جزئی یا کامل برای احترام به پیشرفت های استریوشیمیایی اعطا شد. همچنین در این زمینه، الیاس جی کوری آمریکایی، برنده جایزه نوبل شیمی در سال 1990، حائز اهمیت بود، که به کمک نرم افزارهای کامپیوتری تعاملی ویژه، آنچه را که آنالیز رتروسنتتیک نامید، توسعه داد. این رویکرد شیمی آلی مصنوعی را متحول کرد. نوآوری مهم دیگر شیمی ترکیبی بود که در آن تعداد زیادی ترکیب به طور همزمان آماده می‌شوند و سپس برای فعالیت فیزیولوژیکی غربالگری می‌شوند.

شیمی در قرن بیست و یکم

دو نوآوری دیگر در اواخر قرن بیستم لااقل شایستگی ذکر مختصری را دارند، به خصوص که تمرکز ویژه صنایع شیمیایی در قرن بیست و یکم هستند. پدیده ابررسانایی (توانایی هدایت الکتریسیته بدون مقاومت) در سال 1911 در دمای بسیار نزدیک به صفر مطلق (0K، 273.15- درجه سانتیگراد، یا -459.67 درجه فارنهایت) کشف شد. در سال 1986 دو شیمیدان سوئیسی کشف کردند که اکسید مس لانتانیم آغشته به باریم در دمای “بالا” 35 کلوین (238- درجه سانتیگراد یا 397- درجه فارنهایت) به ابررسانا تبدیل شد. از آن زمان، مواد ابررسانای جدیدی کشف شده‌اند که بسیار بالاتر از دمای نیتروژن مایع ( 77 K (-196 درجه سانتیگراد یا -321 درجه فارنهایت) عمل می‌کنند. علاوه بر علاقه صرفا علمی، تحقیقات زیادی بر روی کاربردهای عملی ابررسانایی تمرکز دارد.

در سال 1985، ریچارد اسمالی و رابرت کرل در دانشگاه رایس در هیوستون، تگزاس، با همکاری هارولد کروتو از دانشگاه ساسکس در برایتون، یک شکل بنیادی جدید از کربن را کشف کردند که دارای مولکول هایی متشکل از 60 اتم کربن بود. آنها آن را باکمینسترفولرن (که بعداً باکی بال نامگذاری شد)، به نام باکمینستر فولر، مخترع گنبد ژئودزیکی، نامگذاری کردند. تحقیقات در مورد فولرن ها از سال 1990، زمانی که روشی برای تولید باکی بال در مقادیر زیاد و کاربردهای عملی احتمالی ظاهر شد، سرعت گرفت. در سال 1991 مجله ساینس باکمینسترفولرن را “مولکول سال” نامید.

دو قرن پیش، انقلاب شیمیایی لاووازیه هنوز توسط جوزف پریستلی مهاجر انگلیسی زیر سوال می رفت. یک قرن پیش، واقعیت فیزیکی اتم هنوز توسط برخی مورد تردید بود. امروزه شیمیدانان می توانند اتم ها را یکی یکی با میکروسکوپ تونل زنی روبشی مانور دهند و تکنیک های دیگری از آنچه که نانوتکنولوژی شناخته شده است به سرعت در حال توسعه هستند. تاریخ شیمی داستان خارق العاده ای است.