شیمی
شیمی
مطالعهٔ ساختار، خواص، ترکیبات، و تغییر شکل مواد است.
این علم مربوط میشود به عناصر شیمیایی و ترکیبات شیمیایی که شامل اتمها، مولکولها، و
برهمکنش میان آنهاست.در اوایل، تلاش برای بیان طبیعت مواد و چگونگی دگرگونی آنها
ناموفق بود. دانش
پیشرفتهتر کیمیا نیز در این مورد ناتوان بود. به هرحال دانش کیمیا به کمک انجام
تحقیقات اولیه و ثبت نتیجهها، نظریه اتمی پایه و اساس علم شیمی است.
این تئوری بیان میدارد که تمام مواد از واحدهای بسیار کوچکی به نام اتم تشکیل شدهاند. یکی از اصول و قوانینی که در مطرح شدن شیمی
به عنوان یک علم تأثیر بهسزایی داشته، اصل بقای جرم است. این قانون بیان میکند
که در طول انجام یک واکنش شیمیایی معمولی، مقدار ماده تغییر
نمیکند. (امروزه فیزیک مدرن ثابت کرده که در واقع این انرژی است که بدون تغییر میماند و همچنین انرژی و جرم با یکدیگر رابطه دارند.) این
مطلب به طور ساده به این معنی است که اگر دههزار اتم داشته باشیم و مقدار زیادی
واکنش شیمیایی انجام پذیرد، در پایان ما همچنان بطور دقیق دههزار اتم خواهیم
داشت. اگر انرژی از دست رفته یا بهدستآمده را مد نظر قرار دهیم، مقدار جرم نیز تغییر نمیکند. شیمی کنش و واکنش میان اتمها را به
تنهایی یا در بیشتر موارد بههمراه دیگر اتمها و بهصورت یون یا مولکول (ترکیب) بررسی میکند. این
اتمها اغلب با اتمهای دیگر واکنشهایی را انجام میدهند. (برای نمونه زمانیکه
آتش چوب را میسوزاند واکنشی است بین اتمهای اکسیژن موجود در هوا و مواد آلی
چوب. که نور بر روی مواد شیمیایی فیلم عکاسی ایجاد میکند شکل میگیرد.) یکی
از یافتههای بنیادین و جالب دانش شیمی این بودهاست که اتمها رویهمرفته همیشه
به نسبت برابر با یکدیگر ترکیب میشوند. سیلیس دارای ساختمانی است که نسبت اتمهای
سیلیسیوم به اکسیژن در آن یک به دو
است. امروزه ثابت شدهاست که استثناهایی در زمینهٔ قانون نسبتهای معین وجود دارد(مواد
غیر استوکیومتری). یکی
دیگر از یافتههای کلیدی شیمی این بود که زمانی که یک واکنش شیمیایی مشخص رخ میدهد،
مقدار انرژی که بدست میآید یا از دست میرود همواره یکسان است. این امر ما را به
مفاهیم مهمی مانند تعادل، ترمودینامیک میرساند. شیمی فیزیک بر پایهٔ فیزیک پیشرفته (مدرن) بنا شدهاست. اصولاً میتوان تمام سیستمهای
شیمیایی را با استفاده از تئوری مکانیک کوانتوم شرح داد. این تئوری از لحاظ
ریاضی پیچیده بوده و عمیقاً شهودی است. به هر حال در عمل و
بطور واقعی تنها بررسی سیستمهای سادهٔ شیمیایی قابل بررسی با
مفاهیم مکانیکی کوانتوم امکانپذیر است و در اکثر مواقع باید از تقریب استفاده
کرد(مانند تئوری
کاری دانسیته). بنابراین
درک کامل مکانیک کوانتوم برای تمامی مباحث شیمی کاربرد ندارد؛ زیرا نتایج مهم این
تئوری (بخصوص اربیتال
اتمی) با
استفاده از مفاهیم سادهتری قابل درک و بهکارگیری هستند. با
اینکه در بسیاری موارد ممکن است مکانیک کوانتوم نادیده گرفته شود، اما از
مفهوم اساسی آن، یعنی کوانتومی کردن انرژی، نمیتوان صرف نظر کرد. شیمیدانها
برای بکارگیری کلیه روشهای طیف نمایی به آثار و نتایج کوانتوم
وابستهاند. علم فیزیک هم ممکن است مورد بی توجهی واقع شود، اما به هر حال برآیند
نهایی آن (مانند رزونانس مغناطیسی هستهای) پژوهیده و مطالعه میشود. یکی
دیگر از تئوریهای اصلی فیزیک مدرن که نباید نادیده گرفته شود نظریه نسبیت است. این نظریه که از دیدگاه
ریاضی پیچیدهاست، شرح کامل فیزیکی علم شیمی است. مفاهیم نسبیتی تنها در برخی از
محاسبات خیلی دقیق ساختمان هسته، بهویژه در عناصر سنگینتر، کاربرد دارند و در
عمل تقریباً با شیمی پیوند ندارند. بخشهای
اصلی دانش شیمی عبارتاند از: دیگر
رشتههای مطالعاتی و شاخههای تخصصی که با شیمی پیوند دارند عبارتاند از: علم مواد، مهندسی شیمی،
شیمی بسپار، شیمی محیط زیست و داروسازی. جدول تناوبی عنصرهای شیمیایی، نمایش
جدولی عنصرهای شیمیایی بر پایهٔ عدد اتمی، آرایش الکترونی و ویژگیهای
شیمیایی آنها است. ترتیب جایگیری عنصرها در این جدول از عدد اتمی کمتر به سوی عدد
اتمی (شمار پروتونهای) بالاتر است. شکل استاندارد این جدول ۱۸ × ۷ است؛ عنصرهای اصلی
در بالا و دو ردیف کوچکتر از عنصرها در پایین جای دارد. میتوان این جدول
را به چهار مستطیل شکست، این چهار ستون مستطیلی عبارتند از: بلوک اس در سمت چپ، بلوک پی در راست، بلوک دی در وسط و بلوک اف یا همان فلزات واسطهٔ داخلی در پایین. ردیفهای
این جدول، دوره و ستونهای آن یا همان ستونهای s و d و p، گروههای جدول تناوبی نام دارند. همچنین گاهی برخی از این گروههای نامهای ویژهای
دارند برای نمونه گروه هالوژنها و گازهای نجیب از آن جملهاند. هدف از ساخت جدول تناوبی چه به
شکل مستطیلی و چه به شکلهای دیگر برای بررسی بهتر ویژگیهای شیمیایی عنصرها بوده
است این جدول کاربرد زیادی در دانش شیمی و پردازش رفتار عنصرها دارد. اعتبار جدول تناوبی به پای دیمیتری مندلیف نوشته شده است با
اینکه پیشروان دیگری پیش از او وجود داشتهاند. او این جدول را در سال ۱۸۶۹ منتشر کرد این نخستین جدولی بود که به این
گستردگی مرتب شده بود. مندلیف این جدول را درست کرد تا ویژگیهای دورهای آنچه که
بعدها «عنصر» نام گرفت را بهتر نشان دهد. وی توانسته بود برخی ویژگیهای عنصرهایی که هنوز کشف نشده بود را پیشبینی کند و جای آنها را خالی گذاشته بود. کم کم با
پیشرفت دانش، عنصرهای تازه تری شناسایی شد و جای خالی عنصرها در جدول پُر شد. با شناسایی عنصرهای نو
و گسترش شبیه سازیهای نظری دربارهٔ رفتار شیمیایی مواد، جدول آن روز مندلیف بسیار گستده تر
شده است. همهٔ عنصرهای شیمیایی از عدد اتمی ۱ (هیدروژن) تا ۱۱۸ (آناناکتیوم) شناسایی یا ساخته شدهاند. دانشمندان هنوز به دنبال ساخت
عنصرهای پس از آناناکتیوم اند و البته این پرسش را پیشرو دارند که
عنصرهای تازه تر چگونه جدول را اصلاح خواهند کرد. همچنین ایزوتوپهای پرتوزای بسیاری هم در
آزمایشگاه ساخته شده است. همهٔ نسخههای جدول تناوبی تنها دربردارندهٔ عنصرهای شیمیایی اند و مخلوط، ترکیب یا ذرات زیراتمی در آنها جایی ندارد.[n ۱] هر
عنصر شیمیایی یک عدد اتمی یکتا دارد و این عدد برابر با
شُمار پروتونها در هستهٔ اتمش است. عنصرها میتوانند در اتمهای گوناگون شُمار نوترونهای متفاوت داشته باشند در این حالت به آنها ایزوتوپ گفته میشود. برای نمونه کربن سه ایزوتوپ طبیعی دارد همهٔ ایزوتوپهای کربن ۶ پروتون، و بیشتر آنها ۶ نوترون دارند اما یک درصد آنها ۷ نوترون و شمار کمتری از آنها ۸ نوترون دارد. ایزوتوپها هرگز در جدول تناوبی به صورت از
هم جدا، نمایش داده نمیشوند بلکه به صورت دستهای با هم زیر عنصر میآیند.
عنصرهایی که هیچ ایزوتوپ پایداری ندارند جرم اتمی پایدارترین ایزوتوپشان را خواهند داشت و جرمهای
اتمی آنها درون پرانتز فهرست میشود.[۱] در جدول تناوبی
استاندارد عنصرها به ترتیب عدد اتمی (شمار پروتونها در هسته) کمتر به بیشتر مرتب شدهاند. یک ردیف تازه در
جدول (دورهٔ جدول تناوبی) با یک لایهٔ الکترونی تازه و نخستین الکترونش آغاز میشود. عنصرهایی که در یک ستون جدول (گروه) جای میگیرند همگی
شمار الکترونهای برابر در لایهٔ آخر الکترونی خود دارند به عبارت دیگر آرایش الکترونی لایه آخر آنها
یکسان است مانند اکسیژن و سلنیم که هر دو در یک ستون اند و هر دو چهار الکترون در لایهٔ بیرونی آرایش الکترونی
خود یعنی تراز P، دارند. عنصرهایی که ویژگیهای شیمیایی
همانندی دارند معمولاً در یک گروه جدول میافتند اما در بلوک f و از برخی نظرها در
بلوک d عنصرهایی که در یک دوره اند هم ویژگیهای نزدیک
به هم از خود نشان میدهند. در نتیجه به آسانی میتوان ویژگیهای شیمیایی یک عنصر
را با آگاهی از عنصرهای پیرامونی اش پیش بینی کرد.[۲] تا سال ۲۰۱۲ جدول تناوبی ۱۱۸ عنصر
داشته است که ۱۱۴ تا از آنها به صورت رسمی از سوی اتحادیه بینالمللی شیمی محض و کاربردی پذیرفته و نامگذاری شدهاند. ۹۸ عنصر از ۱۱۸ تا به
صورت طبیعی پدید آمدهاند و از آن میان ۸۴ مورد
از روز پدیداری زمین ثابت بودهاند در حالی که ۱۴ تای باقیمانده در زنجیرهٔ نیمهعمر افتادهاند یا به عبارت دیگر پرتوزایند.[۳] همهٔ عنصرهای میان اینشتینیم و کوپرنیسیم و همچنین دو عنصر فلروویوم و لیورموریوم در طبیعت پدید نیامدهاند بلکه در آزمایشگاه
ساخته شدهاند سپس آیوپاک آنها را به طور رسمی پذیرفته است. گزارش شده
که عنصرهای ۱۱۳، ۱۱۷، ۱۱۵ و ۱۱۸ هم در آزمایشگاه
ساخته شدهاند اما هنوز آیوپاک آنها را تایید نکرده است. برای همین این عنصرها
هنوز با نام ترکیب شیمیایی و بر پایهٔ عدد اتمیشان شناخته میشوند.[۴] تاکنون
عنصری سنگینتر از اینشتینیم (عنصر ۹۹) در
طبیعت به صورت خالص در اندازهٔ قابل مشاهده، پیدا نشده است.[۵] از
سال ۲۰۱۲ هنوز عنصری که ۱۱۸ را رد کند ساخته نشده است. فاطمه موسایی