כימיה

כִימְיָה (מיוונית: Χημια) היא ענף במדעי הטבע העוסק בהרכב החומר, מבנהו, תכונותיו והשינויים החלים בו במהלך אינטראקציה עם חומר אחר. ניתן לכנות את הכימיה כ"מדע מרכזי", כיוון שהיא מספקת את העקרונות הבסיסיים העומדים מאחורי תחומי ידע אחרים במדעי הטבע, כגון: אסטרונומיה, הנדסת חומרים, ביולוגיה וגאולוגיה. מבחינה היסטורית, הכימיה המודרנית התפתחה מהאלכימיה בעקבות המהפכה הכימית אשר התרחשה ב-1773.

הטבלה המחזורית, המודל המוצלח ביותר כיום למיון כל היסודות הכימיים הידועים לאדם.

עיינו גם בפורטל פורטל כימיה מהווה שער לחובבי הכימיה ולמתעניינים בתחום. בפורטל תוכלו למצוא, בין היתר, מידע על כימאים חשובים, על ענפי הכימיה ועל ניסויים מעניינים.

מבנה החומרים שבהם אנו משתמשים באופן שוטף נובע מתכונותיהן של תרכובות כימיות ושל האינטראקציות ביניהן. לדוגמה, פלדה קשה יותר מברזל כיוון שהאטומים שלה מאורגנים בתא יחידה קשיח יותר; עץ נשרף או עובר חמצון מהיר כיוון שהוא יכול להגיב בתגובה כימית ספונטנית עם חמצן מעל לטמפרטורה מסוימת; סוכר ומלח מומסים במים כיוון שהתכונות המולקולריות/יוניות שלהם הן כאלה שההתמוססות היא המצב המועדף בטמפרטורת החדר. חומרים כימיים מסווגים במונחים של מבנה, מצב צבירה והרכב כימי. ניתן לנתח אותם באמצעות שימוש בשיטות של אנליזה כימית, כגון ספקטרוסקופיה וכרומטוגרפיה.

תגובה כימית היא תהליך שבו משתנה מבנה המולקולות המרכיבות את החומר. תרכובות המוצא נקראות "מגיבים", והתרכובות הנוצרות בסופה של התגובה קרויות "תוצרים". מספר האטומים והאלקטרונים אינו משתנה במהלך התגובה, זאת לפי חוק שימור המסה. בדרך כלל משתתף בתגובה יותר ממגיב אחד. בתגובה כימית עשויות מולקולות להתרכב וליצור תרכובת של מולקולות גדולות יותר, להתפרק וליצור מולקולות קטנות יותר, או ליצור סידור חדש של האטומים בתוך המולקולה. הכימיה משלבת את מושגי האנרגיה והאנטרופיה ביחס לספונטניות ותהליכים כימיים. תגובה כימית כרוכה, בדרך כלל, ביצירה או בשבירה של קשרים כימיים, ובצריכה או בפליטה של אנרגיה.

ניפוח בועת סבון בעזרת אדי פחמן דו-חמצני - הדגמה של "שעשועי כימיה" במרכז מדע וטכנולוגיה בשם AHHAA בטרטו שבאסטוניה. פחמן דו-חמצני מוצק שנמצא בתחתית בקבוק המעבדה עובר המראה דרך המים (עם צבע כחול לשיפור הוויזואליות) ונאסף בעזרת הצנרת לתוך בועת סבון שמתנפחת בקצה המשפך

אטימולוגיה

המקור של המילה כימיה, על שלל נגזרותיה האירופאיות, הוא באלכימיה, מחקר ששילב כימיה, פיזיקה, רפואה, מיסטיקה ודת. מקור המילה אלכימיה הוא בשפה הערבית במילה- الكيمياء (אלכימיאא או الخيمياء, אלח'ימיאא), שפירושה אמנות השינוי. הערבים שאלו את המילה מהיוונים, בעת שכבשו את אלכסנדריה בשנת 642. מהמילה χημία (כֵֿמִיַה) או χημεία (כֵֿמֶיַה). כתוצאה מהשונות בין המילים ייתכן כי מקור המילה אלכימיה היא במצרית עתיקה כיוון שהמילה χημία דומה צורנית לשמה של מצרים במצרית עתיקה, אך מנגד ייתכן שהמילה התפתחה מהמילה היוונית דווקא χημεία שפירושה, לצקת יחד.

היסטוריה של הכימיה

ערך מורחב – היסטוריה של הכימיה

ארבעת היסודות והאלכימיה

ראשיתה של הכימיה היא בפילוסופיה היוונית, שאחד ממאפייניה הבולטים היה תאוריית ארבעת היסודות. למעשה מדובר במשפחה של תאוריות שהמשותף לכולן היא ההנחה שהעולם מורכב מארבעה יסודות, אדמה, מים, אוויר ואש. גרסאות שונות של התאוריה הוסיפו יסודות נוספים, כגון האתר, היסוד השמיימי שממנו עשויים גרמי השמים. תאוריה מתחרה הייתה התאוריה האטומית, שתיארה את החומר כמורכב מחלקיקים יסודיים. היו גם תאוריות, כגון זו של אפלטון, ששילבו את שתי הגישות וזיהו את היסודות הבסיסיים עם חלקיקים יסודיים.

בימי הביניים פותחו תאוריות אלכימיות שהושפעו מתורות ארבעת היסודות, ובמיוחד מהגרסה של אריסטו. התאוריות האלכימיות השונות הניחו קיומם של מספר יסודות מצומצם שיכולים לעבור טרנספורמציות שונות. האלכימאים הבחינו שלחומרים שונים (אלכוהול למשל) יש השפעה על הפיזיולוגיה האנושית. בעקבות זאת הם הניחו שבחומרים השונים כמוסים כוחות נסתרים, לרבות כוחות מאגיים, ושמו להם למטרה לגלות כוחות אלו. האלכימאים הצליחו לתאר בשיטתיות ובדיוק יחסי מגוון רחב של תגובות כימיות.

העת החדשה

התאוריות האלכימיות הוחלפו במהלך המאה ה-17 בתאוריית הפלוגיסטון. פלוגיסטון היה השם שהוענק לחומר היפותטי חסר צבע, טעם וריח שלפי התאוריה נמצא בכל גוף בר בעירה ומשתחרר במהלכה. התאוריה נהגתה על ידי יוהאן יואכים בכר על מנת להסביר את תופעת הבעירה, ובמשך מאתיים שנים היא הייתה התאוריה הדומיננטית בכימיה. לפי התאוריה, כל גוף בר בעירה מכיל את הפלוגיסטון אשר בתנאים מסוימים הופך לאש. כלומר, כל חומר בר בעירה מכיל בתוכו את האש, אולם במעין מצב צבירה שהוא כלוא בו, ואילו הבעירה היא מעבר האש למצב חופשי.

אף על פי שהצליחה לאחד תופעות כימיות רבות, להסבירן ולספק ניבויים איכותיים וכמותיים, תאוריית הפלוגיסטון הוחלפה בסופו של דבר על ידי תאוריית החמצן של אנטואן לבואזיה. נהוג לייחס את החלפתה של תיאורית הפלוגיסטון לכישלונה להסביר תהליכי בעירה שלאחריהם משקלו של החומר שבער גדל, ולא קטן, כמצופה, כתוצאה מאיבוד פלוגיסטון. לבואזיה טען שהבעירה אינה אלא התרכבות של החומר הבוער עם החמצן שבאוויר. הוא הראה כי בעת תהליכים כימיים חומר לא אובד ולא נוצר יש מאין. משקל התוצרים בתהליך שווה למשקל המגיבים (החומרים המקוריים). לבואזיה דחה את זיהוי היסודות עם חלקיקים יסודיים, וכן סבר שחום הוא יסוד כימי שאותו כינה 'קלוריק'. השקפות אלה הוחלפו מאוחר יותר עם התפתחות הכימיה.

תלמידה מבצעת ניסוי בכימיה, גרמניה, 1949

התורה האטומית

במאה ה-19 החלה להתפתח התורה האטומית, לפיה כל חומר בנוי מחלקיקים יסודיים המכונים אטומים, המחולקים לסוגים שונים. על-פי תורה זו, יש להבדיל בין שלושה סוגים של חומרים:

• יסוד, שמרכיביו הם אטומים מסוג מסוים בלבד.
• תרכובת, שבה מצטרפים אטומי יסודות שונים באמצעות קשר כימי לכלל מולקולות, שהן אבני הבניין של התרכובת.
• תערובת, שבה מספר חומרים מתערבבים זה בזה ללא איחוד המולקולות המרכיבות אותם.

את היסוד לתורה הזו הניח האנגלי ג'ון דלטון. שני אנשי מדע נוספים שתרמו תרומה מכרעת להתפתחות הכימיה במאה ה-19 היו השוודי ברצליוס והרוסי מנדלייב. ברצליוס זיהה יסודות כימיים אחדים ופיתח תאוריה להסברת הקשר הכימי שלפיה הכוחות מצמידים את האטומים במולקולות זה לזה. הוא הניח את היסוד לכימיה האנליטית, והחל למדוד את המסות האטומיות של היסודות, כלומר, לקבוע על פי כמה כבד האטום שבכל יסוד מאטום המימן, שהוא הקל ביסודות. מנדלייב מיין את כל היסודות שהיו ידועים בזמנו לפי מסה אטומית עולה ומצא מחזוריות בתכונות האטומיות שלהם. הוא כתב את הטבלה המחזורית של היסודות וניבא בעזרתה בהצלחה את קיומם ותכונותיהם של כמה יסודות שלא היו ידועים עד אז.

במאה ה-19 אף נתגלה כי אטומים בתמיסה מצויים בצורת יונים בחלק מהמקרים, וניתן לעשות שימוש בזרם חשמלי כדי להפריד תרכובות ליסודותיהן - שיטה הנקראת אלקטרוליזה. לאחר פיתוח שיטת הספקטרוסקופיה זוהו כמה יסודות חשובים. נמצא כי כמה תרכובות אורגניות מורכבות מאותם יסודות, והחלה להתפתח הכימיה האורגנית.

לימודי כימיה כיום

כימיה היא חלק אינטגרלי בחומר הלימוד המדעי בבית ספר תיכון ובשלבים הראשונים של לימודי האוניברסיטה. ברמות אלה, היא נקראת בדרך כלל "כימיה כללית" והיא מהווה הצגה של מגוון רחב של תפיסות יסודיות המאפשרות ללומדים לרכוש כלים וכישורים שימושיים ברמות מתקדמות יותר, שבהן נלמדים תחומי המשנה של הכימיה בצורה מעמיקה יותר. מדען המעורב במחקר כימי נקרא כימאי. רוב הכימאים מתמחים בתחום משנה אחד או במספר תחומי משנה.

עקרונות ומושגי יסוד

חומר

ערך מורחב – חומר

פרק זה לוקה בחסר. אנא תרמו לוויקיפדיה והשלימו אותו. ייתכן שתמצאו פירוט בדף השיחה.

אטום

ערך מורחב – אטום

מבנה האטום, על פי ארנסט רתרפורד, פיזיקאי נודע שזכה בפרס נובל לכימיה.

אטום הוא היחידה הבסיסית של יסוד כימי. האטום הוא אוסף של חלקיקי חומר המורכב מליבה טעונה במטען חשמלי חיובי (גרעין האטום) המכילה פרוטונים ונייטרונים, שאותה מקיפים אלקטרונים הנושאים מטען חשמלי שלילי ומאזנים את המטען החיובי שבגרעין. אטום הוא החלק הקטן ביותר של החומר ששומר על התכונות הכימיות של היסוד כגון אלקטרושליליות, אנרגיית יינון, מצב חמצון מועדף, מספר קואורדינציה, סוג הקשרים שהוא נוטה ליצור כגון קשר מתכתי, קשר יוני וקשר קוולנטי.

יסוד כימי

ערך מורחב – יסוד כימי

תיאור של היסודות הכימיים, על פי הטבלה המחזורית

יסוד כימי מוגדר על ידי מספר ייחודי של פרוטונים הנמצאים בגרעין האטום שלו. מספר זה ידוע כמספרו האטומי של היסוד. לדוגמה, כל האטומים המכילים 6 פרוטונים בגרעין הם אטומים של היסוד פחמן, וכל האטומים המכילים 92 פרוטונים בגרעין שלהם הם אטומים של היסוד אורניום. אולם, קיימים גם איזוטופים של יסוד הנבדלים זה מזה במספר הנייטרונים בגרעין.

התיאור הנוח ביותר של יסוד כימי מוצג בטבלה המחזורית המאגדת את היסודות לפי מספרם האטומי. הודות למבנה הייחודי שלה הטורים (מכונים גם קבוצות/משפחות) והשורות (מכונות גם מחזורים) של היסודות השונים חולקים מספר תכונות כימיות משותפות, והן מסודרות לפי רצף תכונות כגון רדיוס אטומי, אלקטרושליליות וכדומה. ישנן רשימות של יסודות לפי שם, סימול ומספר אטומי.

תרכובת

ערך מורחב – תרכובת

ייצוג בכתיב כימי של עמילופקטין, אחת התרכובות האורגניות הנפוצות בטבע

תרכובת היא חומר בעל יחס ייחודי של אטומי יסודות כימיים הקובעים את הרכבו, והיא בעלת צורה ייחודית הקובעת את תכונותיה הכימיות. לדוגמה, מים הם תרכובת המכילה מימן וחמצן ביחס של 1:2, כאשר אטום החמצן נמצא בין שני אטומי המימן, ויש ביניהם זווית קשר של 104.5°. תרכובות נוצרות ומתפרקות בתגובות כימיות.

מולקולה

ערך מורחב – מולקולה

המבנה המולקולרי של אלנין

מולקולה היא החלק הקטן ביותר (מלבד אטום) של כימיקל טהור השומר על תכונותיו הכימיות, כלומר, היכולת לעבור סדרת תגובות כימיות מוגדרת עם כימיקלים אחרים. מולקולות יכולות להיות נייטרליות מבחינה חשמלית בניגוד ליונים. המולקולות הן בדרך כלל קבוצה של אטומים הקשורים בקשר קוולנטי, כך שהמבנה הכולל נותר נייטרלי מבחינה חשמלית, וכל אלקטרוני הקשר מזווגים עם אלקטרונים אחרים בקשר כימי או נמצאים במולקולה כאלקטרונים בלתי קושרים.

אחת מהתכונות העיקריות של מולקולה היא הגאומטריה שלה המכונה לעיתים גאומטריה מולקולרית. בעוד שהמבנה של מולקולות דו-אטומיות, תלת-אטומיות וארבע-אטומיות עשוי להיות טריוויאלי (קווי, זוויתי או פירמידה), המבנה של מולקולות רב-אטומיות, שהן מולקולות המורכבות מ-6 אטומים ומעלה (או מספר יסודות שונים), עשוי להשפיע במידה רבה על מאפייניה הכימיים.

כימיקל ותערובת

ערכים מורחבים – כימיקל, תערובת

כימיקל הוא סוג של חומר בעל הרכב מוגדר וסדרה של תכונות כימיות. במובן הישיר, תערובת של תרכובות ויסודות איננה חומר כימיקלי, אולם ניתן לקרוא לה כימיקל. רוב הכימיקלים שאנו נתקלים בהם בחיי היום יום הם סוג מסוים של תערובת, כגון אוויר, סגסוגות, ביומסה וכדומה.

מערכת מתן השמות לכימיקלים היא חלק חשוב ביותר בשפה הכימית. בשלב מוקדם יותר בהיסטוריה של הכימיה מגלי החומרים הם אלה שנתנו להם את שמם, דבר שגרם בחלק מהמקרים לבלבול ולקשיים. אולם, כיום מערכת IUPAC של הנומנקלטורה הכימית מאפשרת לכימאים לאפיין לפי שם תרכובת ייחודית מתוך מגוון כמעט אינסופי של תרכובות אפשריות.

ישנן מערכות מוגדרות היטב למתן שמות לתרכובות כימיות. תרכובות אורגניות נקראות לפי מערכת הנומנקלטורה האורגנית. תרכובות אי-אורגניות נקראות לפי הנומנקלטורה האי-אורגנית. בנוסף, שירות התקצירים בכימיה פיתח שיטה לקטלוג של כימיקלים, ולפיה כל כימיקל מזוהה לפי מספר נומרי הידוע כמספר CAS.

מול וכמות החומר

ערך מורחב – מול

מול הוא כמות חומר המכילה את אותו מספר של ישויות כימיות (אטומים, מולקולות או יונים) כמו ב-12 גרם של פחמן-12, כאשר אטומי הפחמן אינם קשורים, נמצאים במנוחה ובמצב היסוד שלהם. מספר זה ידוע כמספר אבוגדרו, והוא נקבע באופן ניסויי. הערך המקובל כיום (2007) הוא בערך 6.02X10²³ יחידות חומר למול. מספר זה הוא חסר יחידות, ולפיכך הוא יכול לתאר כל סוג של אובייקט יסודי, על אף שהשימוש במושג המול מוגבל בדרך כלל למבנים תת-אטומיים, אטומיים ומולקולריים.

מספר המולים של חומר בליטר אחד של תמיסה ידוע כמולריות. מולריות היא היחידה הנפוצה לבטא ריכוז כימי של תמיסה בכימיה פיזיקלית.

פאזה

ערך מורחב – פאזה (חומר)

פרק זה לוקה בחסר. אנא תרמו לוויקיפדיה והשלימו אותו. ייתכן שתמצאו פירוט בדף השיחה.

קשר כימי

ערך מורחב – קשר כימי

קשר כימי הוא מושג המסייע להבין כיצד אטומים מחוברים זה לזה במולקולות. ניתן לדמות אותו לשיווי משקל רב-קוטבי בין המטענים החיוביים שבגרעין ובין המטענים השליליים המקיפים אותו. מעבר לכוחות משיכה ודחייה, מגדירות האנרגיות ומיקום האלקטרון את יכולתו של האטום להיקשר לאטום אחר. הפוטנציאלים הללו יוצרים את האינטראקציות המחזיקות את האטומים במולקולות ובגבישים. בתרכובות פשוטות רבות ניתן לעשות שימוש בתאוריות המסבירות את אופי הקשר הכימי על מנת לנבא את מבנן המולקולרי והרכבן. באופן דומה, ניתן ליישם תאוריות פיזיקליות על מנת לנבא מבנים יוניים רבים. בתרכובות מורכבות יותר, כגון סריגים מתכתיים, התאוריות הקלאסיות (כגון תאוריית הקשר הקוולנטי) נכשלות, ויש צורך להשתמש בגישות אחרות המבוססות בעיקר על עקרונות של הכימיה הקוונטית, כגון אורביטלים מולקולריים.

תגובה כימית

ערך מורחב – תגובה כימית

הדגמה עם מי סבון וגז חמצן

תגובה כימית היא שינוי של כימיקל באמצעות אינטראקציה עם כימיקל אחר, או כתוצאה מאינטראקציה עם אנרגיה. תגובה כימית יכולה להתרחש באופן טבעי או להתבצע במעבדה על ידי כימאים בכלים מיוחדים. התגובה יכולה להסתיים ביצירה, פירוק או ארגון מחדש של המולקולות. תגובות כימיות כוללות בדרך כלל יצירה או שבירה של קשרים כימיים. דוגמאות לתגובות כימיות נפוצות הן חמצון, חיזור, דיסוציאציה וסתירה.

ניתן לתאר תגובה כימית באמצעות שימוש במשוואה כימית. בעוד שבתגובות לא-גרעיניות מספרי האטומים וסוגם בשני צידי המשוואה שווים זה לזה, בתגובה גרעינית הדבר נכון רק לגבי חלקיקי הגרעין – הפרוטון והנייטרון.

רצף השלבים שבהם הקשרים הכימיים מתארגנים מחדש במהלך התגובה נקרא מנגנון התגובה. ניתן לחזות שתגובה כימית תתרחש במספר שלבים מוגדר, כאשר כל אחד מהם מתרחש במהירות שונה. חומרי ביניים רבים בעלי יציבות משתנה יכולים להיווצר במהלך התגובה. פיתוחם של מנגנוני התגובה בא להסביר את הקינטיקה הכימית ואת יחסי התוצרים המתקבלים. מספר חוקים אמפיריים, כגון חוקי וודוורד-הופמן, יכולים להיות שימושיים כאשר מציעים מנגנון לתגובה כימית.

הגדרה יותר קשיחה לתגובה כימית היא: "תגובה כימית היא התהליך המסתיים בהמרה של כימיקלים שונים". לפי הגדרה זו, תגובה כימית יכולה להיות חד-שלבית או רב-שלבית. ניתן להגביל את ההגדרה עוד יותר כך שתכלול גם מקרים שבהם המרת הקונפורמציות ניתנת לצפייה בניסוי. תגובות כימיות מסוג זה כוללות בדרך כלל סדרה של ישויות מולקולריות כפי שנרמז בהגדרה, אולם נוח להשתמש במונח גם עבור שינויים הכוללים ישות מולקולרית יחידה.

יונים ומלחים

ערכים מורחבים – יון, מלח

יון הוא אטום או מולקולה בעלי מטען חשמלי שאיבדו או קלטו אלקטרון אחד או יותר. קטיונים (יונים בעלי מטען חשמלי חיובי) ואניונים (יונים בעלי מטען חשמלי שלילי) יכולים ליצור מבנה גבישי של מלחים נייטרליים. דוגמאות ליונים רב-אטומיים שאינם מתפרקים במהלך תגובת חומצה-בסיס הן הידרוקסיל וזרחה.

יונים הנמצאים במצב צבירה גזי ידועים כפלזמה.

חומצות ובסיסים

ערכים מורחבים – חומצה, בסיס

פרק זה לוקה בחסר. אנא תרמו לוויקיפדיה והשלימו אותו. ייתכן שתמצאו פירוט בדף השיחה.

חמצון-חיזור

ערך מורחב – חמצון-חיזור

פרק זה לוקה בחסר. אנא תרמו לוויקיפדיה והשלימו אותו. ייתכן שתמצאו פירוט בדף השיחה.

שיווי משקל כימי

ערך מורחב – שיווי משקל כימי

פרק זה לוקה בחסר. אנא תרמו לוויקיפדיה והשלימו אותו. ייתכן שתמצאו פירוט בדף השיחה.

מצב צבירה

ערך מורחב – מצב צבירה

תיאור סכמטי של מרחקים בין מולקולות, סדר, שימור צורה ושימור נפח בשלושת מצבי הצבירה העיקריים.

בנוסף להבדלים בתכונותיהם הכימיות, כימיקלים שונים יכולים להימצא במצבי צבירה שונים. לרוב, הסיווג הכימי אינו תלוי במצב הצבירה; אולם, מספר מצבי צבירה מיוחדים אינם מתאימים למספר תכונות כימיות. מצב צבירה מוגדר כאוסף מצבים במערכת כימית שהמשותף להם הוא תכונות מבניות מסוימות המתקיימות בטווח מסוים של תנאים כגון לחץ וטמפרטורה. תכונות פיזיקליות כגון צפיפות ומקדם שבירה נוטות לקבל ערכים אופייניים במצבי צבירה שונים. מצב הצבירה של חומר מוגדר על ידי כמות האנרגיה הנמצאת במערכת ובאופי הקשרים בין האטומים או המולקולות. מצב צבירה מוצק מתאפיין בקשרים חזקים בין החלקיקים ולכן מבנה מסודר, צורה ונפח מוגדרים וקבועים (בלחץ וטמפרטורה נתונים). בנוזל המרחקים בין החלקיקים גדול יותר ואין סדר מובהק ביניהם, בעוד שהנפח נשמר הצורה אינה נשמרת. בגז האינטראקציה בין חלקיקי החומר חלשה מאוד יחסית למהירות התנועה של החלקיקים ולכן אין מבנה מסודר והמרחק בין החלקיקים יקבע על ידי גודל הכלי בו הוא נתון.

בחלק מהמקרים אין גבול ברור בין מצבי הצבירה השונים, ובמקרה זה אומרים שהחומר נמצא במצב סופרקריטי. בדיאגרמת הפאזות יש נקודה הנקראת הנקודה המשולשת והיא משותפת לשלושת מצבי הצבירה הנפוצים. כיוון שנקודה זו קבועה עבור תנאים מסוימים, נוח להגדיר באמצעותה את התנאים הללו.

מצבי הצבירה העיקריים הם מוצק, נוזל וגז. רוב החומרים יכולים להתקיים במספר צורות של מוצק. לדוגמה, ישנן שלוש צורות של ברזל במצב צבירה מוצק (אלפא, גאמא ודלתא) המוגדרות לפי הטמפרטורה והלחץ. ההבדל העקרוני בין הצורות הללו הוא השוני במבנה הגבישי של האטומים. מצבי צבירה פחות מוכרים הם פלזמה, עיבוי בוז-איינשטיין, עיבוי פרמיוני ומצבים פאראמגנטיים ופרומגנטיים של חומרים מגנטיים. בעוד שרוב מצבי הצבירה המוכרים עוסקים במרחב תלת-ממדי, ניתן להגדיר אנלוגים למערכות הללו בשני ממדים, דבר המהווה כלי שימושי במערכות ביולוגיות.

אנרגיה

ערך מורחב – אנרגיה

תגובה כימית מלווה תמיד בהגדלת או הקטנת כמות האנרגיה שבמערכת. כמות אנרגיה מסוימת עוברת בסביבת המגיבים בצורה של חום או אור, ובאופן זה תוצרי התגובה עשויים להכיל יותר או פחות אנרגיה מאשר המגיבים. תגובה כימית היא אקסותרמית אם במצב הסופי יש במערכת פחות אנרגיה מאשר במצב ההתחלתי, כלומר היה מעבר של אנרגיה מהמערכת לסביבה. התגובה היא אנדותרמית כאשר במצב הסופי יש במערכת יותר אנרגיה מאשר במצב ההתחלתי, כלומר היה מעבר של אנרגיה מהסביבה למערכת.

תגובה כימית אינה יכולה להתרחש אם המגיבים אינם קולטים כמות אנרגיה הגבוהה מסף מסוים המכונה אנרגיית שפעול. המהירות של תגובה כימית (בטמפרטורה T נתונה) קשורה לאנרגיית השפעול E, באמצעות קבוע בולצמן e^−E/kT המתאר את ההסתברות שלמולקולה כלשהי תהיה כמות אנרגיה גדולה או שווה ל-E בטמפרטורה נתונה. התלות המעריכית בין מהירות התגובה לבין הטמפרטורה מתוארת במשוואת ארניוס. אנרגיית השפעול הדרושה לתגובה הכימית יכולה להופיע בצורת חום, אור, חשמל או כוח מכני כדוגמת אולטרה סאונד.

המושג של אנרגיה חופשית, המשלב שיקולים אנטרופיים, שימושי מאוד בניבוי היתכנות התגובה ובבירור מצב שיווי המשקל שלה בתחום התרמודינמיקה הכימית. התגובה אפשרית רק אם השינוי הכולל באנרגיה החופשית של גיבס הוא שלילי, כלומר, אם ΔG שווה לאפס אומרים שהתגובה נמצאת בשיווי משקל כימי.

קיים מספר מוגבל מאוד של מצבי אנרגיה אפשריים עבור אלקטרונים, אטומים ומולקולות. מצבים אלה נקבעים לפי חוקי מכניקת הקוונטים, הדורשים קוונטיזציה של אנרגיית המערכת. האטומים או המולקולות ברמת אנרגיה גבוהה יותר נקראים "מעוררים", והם נוטים להגיב בעוצמה רבה יותר עם חומרים אחרים, דבר שהוא חיוני עבור תגובות כימיות.

מצב הצבירה של החומר נקבע על ידי כמות האנרגיה בחומר ובסביבה המקיפה אותו. כאשר הכוחות הפנים-מולקולריים של חומר נמצאים במצב שבו האנרגיה של הסביבה לא מספיקה כדי לבטל אותם, יכולים להתרחש כמה דברים. לדוגמה, מים הם נוזל בטמפרטורת החדר כיוון שהמולקולות קשורות זו לזו בקשרי מימן. לעומת זאת, מימן גופרתי הוא גז בטמפרטורה ובלחץ תקניים, וזאת כיוון שהמולקולות קשורות בקשרי דיפול-דיפול שהם חלשים יותר.

מעבר האנרגיה מחומר אחד לאחר תלוי בגודל של קוונט האנרגיה הנפלט מהחומר. אולם, אנרגיית חום מועברת בקלות כמעט מכל חומר, והסיבה העיקרית לכך היא כיוון שרמות האנרגיה התנודתיות והסיבוביות ממוקמות אחת ליד השנייה באטום. כיוון שרמות האנרגיה של האלקטרונים לא קרובות זו לזו, קרינה אלקטרומגנטית בתחום העל-סגול לא מועברת באותה קלות, בדומה לאנרגיה חשמלית.

הידיעה על קיומן של רמות אנרגיה אופייניות לחומרים כימיים שונים שימושית בזיהויים על פי אנליזה של קווי ספקטרום שונים, כגון תת-אדום, גלי מיקרו, NMR וכדומה. דבר זה שימושי גם בזיהוי ההרכב של עצמים מרוחקים – כגון כוכבי לכת וגלקסיות – באמצעות ניתוח ספקטרוסקופי של הקרינה האלקטרומגנטית הנפלטת מהם.

ספקטרום הפליטה של ברזל

חוקים בכימיה

תגובות כימיות מתרחשות לפי חוקים מסוימים, שבמהלך הזמן הפכו למושגים בסיסיים בכימיה. חלק מהחוקים הללו הם:

• חוק שימור המסה: לפי הפיזיקה המודרנית האנרגיה היא זו שנשמרת, וישנו קשר בין מסה לאנרגיה; רעיון זה חשוב מאוד בכימיה גרעינית.
• חוק שימור האנרגיה קשור למושגים החשובים שיווי משקל כימי, תרמודינמיקה וקינטיקה כימית.
• חוק ההרכב המוגדר: אף על פי שבמערכות רבות (ובעיקר במינרלים ובמקרו-מולקולות ביולוגיות) היחסים נוטים לדרוש מספרים גדולים, ובמקרים רבים הם מיוצגים כשברים.
• חוק היחסים המרובים
• חוק הס: חוק הקובע כי השינוי באנתלפיה (ΔH) של תגובה הוא קבוע, בלי תלות בתגובות ביניים. לכן שלבי ביניים בתגובה הכימית אינם משפיעים על שינוי האנתלפיה. מאפשר לחשב את שינוי האנתלפיה עבור תגובה מסוימת מתוך מספר תגובות נתונות הקשורות זה לזה בחומרים, אך לא ביחס התגובות.
• חוק בר-למבר
• חוק הדיפוזיה של פיק
• חוק ראול
• חוק הנרי
• חוק בויל-מריוט
• חוק שארל
• חוק גיי-ליסק
• חוק אבוגדרו
• כלל מרקובניקוב
• חוקי וודוורד

תחומי משנה

כימיה מחולקת בדרך כלל למספר תחומי משנה עיקריים (דיסציפלינות). כמו כן, ישנם כמה תחומים הקשורים לשתי דיסציפלינות או יותר, כמו גם תחומים בעלי דרגת התמחות גבוהה יותר. דיסציפלינות שונות בתוך הכימיה מחולקות בדרך כלל לפי סוג החומר הנחקר או לפי סוג המחקר. דיסציפלינות אלה כוללות כימיה אי-אורגנית, שהיא חקר תרכובות אי-אורגניות; כימיה אורגנית החוקרת חומרים אורגניים; ביוכימיה, שהיא חקר החומרים הנמצאים באורגניזמים; כימיה פיזיקלית, שהיא חקר האנרגיה הקשורה למערכות כימיות בקנה מידה, מקרו, מולקולרי ותת-מולקולרי וכימיה אנליטית שבה מנתחים דגימות חומרים על מנת להבין את הרכבם הכימי והמבנה שלהם. בשנים האחרונות התפתחו דיסציפלינות יותר ממוקדות, כגון נוירוכימיה.

• כימיה אנליטית היא התחום שבו עורכים אנליזה של דגימות חומרים על מנת להבין את הרכבם הכימי והמבנה שלהם. כימיה אנליטית מתבססת על שיטות ניסוייות תקניות. השימוש בשיטות הללו נפוץ בכל התת-דיסציפלינות של הכימיה, מלבד כימיה תאורטית.
• ביוכימיה היא חקר הכימיקלים, תגובות כימיות ואינטראקציות המתרחשות באורגניזמים. בין הביוכימיה והכימיה האורגנית יש מידה רבה של חפיפה, בדומה לכימיה רפואית ונוירוכימיה. ביוכימיה קשורה גם לביולוגיה מולקולרית וגנטיקה.
• כימיה אורגנית היא חקר המבנה, התכונות, ההרכב, המנגנונים, והתגובות של תרכובות אורגניות. תרכובת אורגנית מוגדרת כתרכובת המבוססת על שלד של אטומי פחמן.
• כימיה אי-אורגנית היא חקר התכונות והתגובות של תרכובות אי-אורגניות. ההבדל בין הדיסציפלינה האורגנית והאי-אורגנית מטושטש וישנם תחומים חופפים, כאשר אחד הבולטים שבהם הוא כימיה אורגנומתכתית.
• מדע החומרים הוא התחום שבו מכינים, מאפיינים ומבינים חומרים בעלי שימוש. תחום זה הוא הרחבה של הלימודים בתוכניות לימוד אקדמיות, והוא משלב מאפיינים מכל התחומים הקלאסיים של הכימיה תוך התמקדות בנושאים בסיסיים המאפיינים חומרים בצורה ייחודית. מערכות המחקר העיקריות כוללות את הכימיה של מצבים דחוסים (מוצק, נוזל ופולימרים) ואזורי החפיפה בין מצבי הצבירה השונים.
• כימיה פיזיקלית היא חקר הבסיס הפיזיקלי של מערכות ותהליכים כימיים. ישנה התמקדות רבה בדינמיקה ובאנרגיה של מערכות אלו. תחומים חשובים בכימיה פיזיקלית הם תרמודינמיקה כימית, קינטיקה כימית, אלקטרוכימיה, מכניקה סטטיסטית, וספקטרוסקופיה. כימיה פיזיקלית חופפת במידה רבה לפיזיקה מולקולרית. כימיה פיזיקלית מתבססת בחלקה על השימוש בחשבון אינפיניטסימלי על מנת לגזור משוואות. תחום זה מקושר בדרך כלל למכניקת הקוונטים וכימיה תאורטית. כימיה פיזיקלית היא תחום שונה מפיזיקה כימית.
• כימיה תאורטית היא ענף תאורטי בכימיה שמסביר או חוזה תופעות כימיות. בשנים האחרונות תחום זה משפיע במיוחד על הכימיה הקוונטית. החל מסוף מלחמת העולם השנייה התפתחות המחשבים תרמה להתפתחות מקבילה ושיטתית של הכימיה החישובית, שהיא התחום שבו מפתחים ומיישמים תוכנות מחשב על מנת לפתור בעיות בכימיה.
• סטריאוכימיה - כימיה של מולקולות בעלות מבנה תלת־ממדי מורכב.
• אלקטרוכימיה - ניצול של תנועת האלקטרונים בתגובות כימיות לצורך יצירתם של סוללות או של תאי דלק.
• ננוטכנולוגיה - טכנולוגיה חדישה המפתחת עצמים בעלי גודל ננומטרי.
• פיזיקה כימית - תחום החוקר תופעות פיזיוכימיות בשימוש טכניקות מתוך תחומי המשנה פיזיקה אטומית ופיזיקה מולקולרית ובטכניקות מתחום הפיזיקה של חומר מעובה. אפשר להגדיר את התחום כחקר תהליכים ותופעות כימיות רבות מנקודת מבט פיזיקלית.

לקריאה נוספת

מדע פופולרי

• Atkins, P.W. Galileo's Finger (Oxford University Press) ISBN 0198609418
• Atkins, P.W. Atkins' Molecules (Cambridge University Press) ISBN 0521823978
• Stwertka, A. A Guide to the Elements (Oxford University Press) ISBN 0195150279

כימיה למתחילים

• Chang, Raymond. Chemistry 6th ed. Boston: James M. Smith, 1998. ISBN 0-07-115221-0.
• Atkins, P.W., Overton, T., Rourke, J., Weller, M. and Armstrong, F. Shriver and Atkins inorganic chemistry (4th edition) 2006 (Oxford University Press) ISBN 0-19-926463-5
• Clayden, J., Greeves, N., Warren, S., Wothers, P. Organic Chemistry 2000 (Oxford University Press) ISBN 0-19-850346-6
• Voet and Voet Biochemistry (Wiley) ISBN 0-471-58651-X

כימיה למתקדמים

• Atkins, P.W. Physical Chemistry (Oxford University Press) ISBN 0-19-879285-9
• Atkins, P.W. et al. Molecular Quantum Mechanics (Oxford University Press)
• McWeeny, R. Coulson's Valence (Oxford Science Publications) ISBN 0-19-855144-4
• Pauling, L. The Nature of the chemical bond (Cornell University Press) ISBN 0-8014-0333-2
• Pauling, L., and Wilson, E. B. Introduction to Quantum Mechanics with Applications to Chemistry (Dover Publications) ISBN 0-486-64871-0
• Stephenson, G. Mathematical Methods for Science Students (Longman)ISBN 0-582-44416-0
• Smart and Moore Solid State Chemistry: An Introduction (Chapman and Hall) ISBN 0-412-40040-5

קישורים חיצוניים

• כימיה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• כימיה ותעשייה כימית בשירות האדם
• מקור מידע על חומרים שונים
• האיגוד הבינלאומי לכימיה טהורה ויישומית
• רשימת קישורים חיצוניים בנושא כימיה בוויקיפדיה האנגלית
• פיליפ בול, סיינטיפיק אמריקן, 10 חידות בלתי פתורות בכימיה, באתר ynet, 25 בפברואר 2012
• מילון למונחי כימיה | הנדסה כימית 1989 | כימיה 1951 | כימיה 1928 | כימיה 1939 | כימיה 1939, 1942 | כימיה אורגנית 1992 | כימיה אי-אורגנית 1979 | כימיה כללית 1985 | באתר האקדמיה ללשון העברית
• ממה העולם מורכב: מבוא לכימיה כללית, קורס מקוון של אוניברסיטת תל אביב, באתר קמפוס - המיזם הלאומי ללמידה דיגיטלית של המשרד לשוויון חברתי, ינואר 2019
• אבי סאייג, הכימיה המסובכת של הקדמונים, באתר ynet, 10 ביוני 2022
• כימיה, דף שער בספרייה הלאומית