כימיה

כימיה[1]יוונית: Χημια) היא ענף במדעי הטבע העוסק בהרכב החומר, מבנהו, תכונותיו והשינויים החלים בו במהלך אינטראקציה עם חומר אחר[2][3]. ניתן לכנות את הכימיה כ"מדע מרכזי", כיוון שהיא מספקת את העקרונות הבסיסיים העומדים מאחורי תחומי ידע אחרים במדעי הטבע[4], כגון אסטרונומיה, הנדסת חומרים, ביולוגיה וגאולוגיה. מבחינה היסטורית, הכימיה המודרנית התפתחה מהאלכימיה בעקבות המהפכה הכימית אשר התרחשה בשנת 1773.

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.

Periodic table large
הטבלה המחזורית, המודל המוצלח ביותר כיום למיון כל היסודות הכימיים הידועים לאדם.
Keemia on lõbus!
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

עיינו גם בפורטל

פורטל כימיה מהווה שער לחובבי הכימיה ולמתעניינים בתחום. בפורטל תוכלו למצוא מידע על כימאים חשובים, על ענפי הכימיה, על ניסויים מעניינים ועוד.

אטימולוגיה

המקור של המילה כימיה, על שלל נגזרותיה האירופאיות, הוא באלכימיה, מחקר ששילב כימיה, פיזיקה, רפואה, מיסטיקה ודת[5]. 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)[6]. כתוצאה מהשונות בין המילים ייתכן כי מקור המילה אלכימיה היא במצרית עתיקה כיוון שהמילה χημία דומה צורנית לשמה של מצרים במצרית עתיקה[6], אך מנגד ייתכן שהמילה התפתחה מהמילה היוונית דווקא χημεία שפירושה, לצקת יחד[7].

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.

Bundesarchiv Bild 183-S84626, Schülerin bei Chemieversuch
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 המצמידים את האטומים במולקולות זה לזה. הוא הניח את היסוד לכימיה האנליטית, והחל למדוד את המסות האטומיות של היסודות, כלומר, לקבוע על פי כמה כבד האטום שבכל יסוד מאטום המימן, שהוא הקל ביסודות. מנדלייב מיין את כל היסודות שהיו ידועים בזמנו לפי מסה אטומית עולה ומצא מחזוריות בתכונות האטומיות שלהם. הוא כתב את הטבלה המחזורית של היסודות וניבא בעזרתה בהצלחה את קיומם ותכונותיהם של כמה יסודות שלא היו ידועים עד אז.

במאה ה-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.

מושגי יסוד

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

ישנם מספר מושגים שחיוניים למחקר הכימי. להלן רשימה חלקית שלהם:

אטום

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

יסוד כימי

High School Chemistry Cover
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

Amylopektin Sessel
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.

כימיקל

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.

מולקולה

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

אחת מהתכונות העיקריות של מולקולה היא הגאומטריה שלה המכונה 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.

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.

יונים ומלחים

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

יונים הנמצאים במצב צבירה גזי ידועים כפלזמה.

מצב צבירה

States of matter He
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.

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

Vesinik saab sõbraks hapnikuga
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.

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.

Emission spectrum-Fe
ספקטרום הפליטה של ברזל

חוקים בכימיה

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

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.

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

הערות שוליים

  1. ^ מנוקדת: כִימְיָה. על פי החלטת האקדמיה ללשון העברית, ניתן גם לנהוג במילה זו על פי הכללים העבריים: כִּימְיָה. ראו צורתן וכתיבן של מילים לועזיות בלשוננו באתר האקדמיה ללשון העברית.
  2. ^ "What is Chemistry?". Chemweb.ucc.ie. Retrieved 2011-06-12.
  3. ^ Chemistry. (n.d.). Merriam-Webster's Medical Dictionary. Retrieved August 19, 2007.
  4. ^ Theodore L. Brown, H. Eugene Lemay, Bruce Edward Bursten, H. Lemay. Chemistry: The Central Science. Prentice Hall; 8 edition (1999). ISBN 0-13-010310-1. pp. 3–4.
  5. ^ "History of Alchemy". Alchemy Lab. Retrieved 2011-06-12.
  6. ^ 6.0 6.1 "alchemy", entry in The Oxford English Dictionary, J.A. Simpson and E.S.C. Weiner, vol. 1, 2nd ed., 1989, ISBN 0-19-861213-3.
  7. ^ Weekley, Ernest (1967). Etymological Dictionary of Modern English. New York: Dover Publications. ISBN 0-486-21873-2
אטום

האָטוֹם (ביוונית: ἄτομος), שפירושו "לא ניתן לחיתוך" - "א" (לא ניתן/לא אפשרי) "טומי" (חתך/חיתוך) הוא המערך החלקיקי הקטן ביותר שמטענו החשמלי הכולל הוא אפס, והמאפיין יסוד כימי ומבדיל אותו מיסודות כימיים אחרים. הוא מורכב מחלקיקים קטנים יותר שאינם מיוחדים לו אלא נמצאים במערכים שונים בכל היסודות הכימיים.

המונח "אטום" נטבע במאה ה-5 לפנה"ס על ידי הפילוסוף היווני דמוקריטוס, ששיער את קיומו של חלקיק שאינו בר חלוקה. בתחילת המאה ה-19 השתמש ג'ון דלטון בהשערה זו על מנת להסביר מדוע יסודות מגיבים ביניהם תמיד ביחסים כמותיים קבועים של מספרים שלמים. מאוחר יותר, בשנת 1897 גילה ג'יי ג'יי תומסון את האלקטרון והסיק כי הוא חלקיק המשותף לכל היסודות הכימיים. מכאן התברר כי היסודות ניתנים לחלוקה למרכיבים יסודיים יותר ולכן אינם ראויים לשם "אטום" במובנו המקורי. מכל מקום, השם "אטום" ממשיך לשמש עד היום ככינוי למערך החלקיקי הקטן ביותר של יסוד, מבלי לפקפק באפשרות קיומם של חלקיקי יסוד שבאמת אינם ניתנים לחלוקה, כהשערת דמוקריטוס.

רוב האטומים בטבע נמצאים בתצורה מולקולרית, כלומר במבנים המכילים שניים או יותר אטומים הקשורים זה לזה בקשר כימי.

כל יסוד בטבע מאופיין באטומים שכולם בעלי מספר פרוטונים מסוים המיוחד לאותו יסוד. מספר זה מכונה המספר האטומי. בטבלה המחזורית של דמיטרי מנדלייב רשומים היסודות השונים בסדר עולה לפי המספר האטומי שלהם, והם מסומנים בסימון מקוצר של אותיות לטיניות המיוחד לכל יסוד כימי. לדוגמה: C עבור אטום פחמן, ו-Al עבור אטום אלומיניום.

אטום שנגרעו ממנו או נוספו לו אלקטרונים כך שמטענו החשמלי שונה מאפס, נקרא יון.

איזוטופים הם אטומים בעלי אותו מספר אטומי אך נבדלים במספר הנייטרונים שבגרעיניהם (מספר האלקטרונים והפרוטונים באיזוטופים שונים של אותו אטום זהה).

המדע העוסק בתכונות מערכי האלקטרונים באטום נקרא פיזיקה אטומית. הכימיה עוסקת בקשרים שבין אטומים. פיזיקה גרעינית עוסקת במבנה גרעין האטום ובתגובות גרעיניות, כמו למשל פצצה גרעינית.

גודלו של אטום נע בין 62 פיקו-מטר (מיליונית של מיליונית מטר) עבור אטום הליום ל-500 פיקו-מטר עבור אטום צסיום. אטומים הם קטנים מכדי לראותם בעין, אך קיימים מיקרוסקופים בעלי כושר הבחנה עדין מספיק כדי להבחין בהם, למשל מיקרוסקופ מִנהור סורק, ואחרים המסוגלים לזהות את סוג האטום.

אלקטרון

אֵלֶקְטְרוֹן (סימול: e-) הוא חלקיק יסודי תת-אטומי. במבנה האטום הבסיסי, האלקטרונים מקיפים את גרעין האטום, המכיל את הפרוטונים והנייטרונים. מטענו החשמלי של האלקטרון שלילי, ושווה בגודלו לזה של הפרוטון. מסת המנוחה שלו קטנה ביחס למסת הפרוטון (יחס של כ-1⁄1836). האלקטרון נחשב לחלקיק יסודי, כלומר, לא ידוע על קיום מבנה פנימי שלו. האלקטרון הוא לפטון מהדור הראשון. לאלקטרון יש ספין שערכו ħ⁄2, ועל כן הוא פרמיון, חלקיק המציית לעקרון האיסור של פאולי.

מוליכות חשמלית במוצקים ובכללם במוליכים מתכתיים בהם ההולכה יעילה במיוחד, נעשית על ידי זרימה של אלקטרונים. אלקטרונים בעלי קשר חלש לגרעין האטום המסוגלים לעבור מאטום לאטום בהשקעה קטנה יחסית של אנרגיה ועל כן לזרום בקלות יחסית דרך המוצק תחת השפעת מתח חשמלי, נקראים אלקטרונים חופשיים.

במכניקת הקוונטים, האלקטרון מתואר על ידי משוואת דיראק. במודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, הוא יוצר זוג יחד עם נייטרינו אלקטרוני, תוך שהם מגיבים דרך הכוח הגרעיני החלש. לאלקטרון שני בני משפחה בעלי אותו מטען חשמלי: המיואון והטאו, אך מסותיהם של בני משפחה אלה גבוהות בהרבה.

המערך האלקטרוני של אטומים ומולקולות משפיע רבות על התכונות הכימיות של החומר. אלקטרונים הם אלו המשמשים בקשרים הבין-אטומיים והבין-מולקולריים שבחומר ורוב התגובות הכימיות בין חומרים מתרחשות באמצעות פעילותם של אלקטרונים.

האנטי-חלקיק של האלקטרון הוא הפוזיטרון. לפוזיטרון ספין ומסה שווים לאלה של האלקטרון, בעוד מטענו החשמלי חיובי, כלומר, נגדי לזה של האלקטרון. כשאלקטרון ופוזיטרון נפגשים, הם מאיינים זה את זה, תוך שחרור שני פוטונים בכיוונים מנוגדים, שלכל אחד מהם אנרגיה של 510,998.9461 eV/c2, כלומר, אנרגיה בתחום של קרינת גמא. אנרגיה זו שווה למסת המנוחה של האלקטרון. בתהליך כזה, שחרור של פוטון אחד איננו אפשרי, משום שהוא יהיה מנוגד לחוק שימור התנע. תגובה זו נבדקה בניסויים בתאי ערפל והיא מתרחשת לעיתים קרובות במאיצי חלקיקים ובניסויים אחרים של פיזיקת חלקיקים.

על פי הערכות מודרניות, מספר האלקטרונים ביקום הוא כ-‎1079‎.

ביוכימיה

בִּיּוֹכִימְיָה היא מדע החוקר את התכונות הכימיות המאפיינות מולקולות המיוצרות בתאים חיים וייחודיות להם, ומאפשרות להם לבצע את תפקידם. הביולוגיה המולקולרית היא מדע החוקר את תפקידן של מולקולות אלה.

גביש

גביש (בלועזית: קריסטל) הוא תצורת חומר במצב צבירה מוצק.

המאפיין העיקרי של גביש הוא סדר פנימי ארוך טווח, כלומר, קיים מבנה בסיסי, הנקרא תא יחידה, החוזר על עצמו למלוא המרחב (תא היחידה דומה לאריח שבאמצעותו מרצפים חדר גדול, אך הוא תלת ממדי ולא דו ממדי). הגביש פותר את בעיית הריצוף הגאומטרית, בשלושה ממדים. ישנם חומרים רבים המופיעים בטבע בצורת גביש, למשל מלח, קוורץ, קלציט. פעמים רבות הסדר הקפדני של המבנה הפנימי בא לידי ביטוי בצורה החיצונית של החומר, כלומר לפעמים יש לגבישים צורה יפה בעלת סימטריה מובהקת.

הענף העוסק בחקר הגבישים נקרא קריסטלוגרפיה; במיוחד מתייחס מונח זה לחקר מבנה הגבישים באמצעות קרינה (קרני רנטגן, או קרינת אלקטרונים למשל). תהליך שבו חומר הופך עצמו לגביש נקרא התגבשות; תהליך שבו הופכים באופן פעיל חומר לגביש נקרא גיבוש. שני המושגים נקראים בלועזית קריסטליזציה.

תכונות רבות של החומר מוסברות על ידי הבנת המבנה הגבישי שלו, למשל הסדר הפנימי של הגביש יוצר "קווי שבירה" טבעיים, שלעיתים מאפשרים במאמץ קטן לשבור את המבנה. תכונה זו של גבישים נקראת פצילות.

גז

גז הוא מצב צבירה של החומר, בו המולקולות רחוקות אחת מהשנייה, המשיכה ביניהן נמוכה, והן נעות בחופשיות בהתאם לצורת הכלי בו הן נמצאות. גז, בדומה לנוזל, מסוגל לזרום. בניגוד לנוזל, לגז אין נפח קבוע, והוא נוטה להתפשט כדי למלא את כל הנפח שהוקצה לו (עיקרון אבוגדרו). האנרגיה הקינטית של גז גדולה מזו של נוזל או מוצק, אך קטנה מזו של הפלזמה.

המילה גז בשפת יום-יום מתייחסת לחומרים שבטמפרטורת החדר נמצאים במצב צבירה גזי.

זיקוק

זיקוק (בלועזית: דיסטילציה, Distillation) הוא תהליך פיזיקלי להפרדה של תערובת נוזלים על בסיס נקודות הרתיחה השונות של מרכיביה.

טבע

טבע הוא מושג המייצג את כל מה שקיים, ולא נוצר או שונה על ידי האדם. בהגדרה, כל תוצריו של האדם הם מלאכותיים, כלומר אינם חלק מעולם הטבע.

הטבע כולל למשל את הנופים הקיימים, המראות השונים של חילופי עונות, ההרים והנהרות, היצורים החיים, האטמוספירה ועוד.

השאיפה להבין לעומק את הסביבה הטבעית היא שעומדת בבסיס הסביבתנות - תנועה פוליטית, חברתית ופילוסופית רחבה ומגוונת שמטרתה להגן על מרכיב הטבע שנותר בסביבה הטבעית, ובמקרים רבים אף לשקם או להרחיב את חלקו של הטבע בסביבה זו. הגנת הסביבה, בהקשר זה, היא הניסיון לשמר מצב של השפעה אנושית מינימלית על הסביבה הטבעית.

יון

יון (מיוונית עתיקה: ἰόν – "מתקדם"; "נע") הוא אטום או מולקולה, הנושאים מטען חשמלי כיוון שמספר האלקטרונים בהם שונה ממספר הפרוטונים. זאת בשונה מאטום או מולקולה נייטרליים, שבהם מספר האלקטרונים והפרוטונים שווה ומטענם החשמלי הכללי הוא אפס.

ביון חיובי, מספר האלקטרונים קטן ממספר הפרוטונים. הוא נקרא קטיון מפני שבתא אלקטרוכימי הוא נמשך לקתודה (האלקטרודה השלילית, כלומר זו שדרכה זורמים אלקטרונים לתוך התא).

ביון שלילי, מספר האלקטרונים גדול ממספר הפרוטונים, והוא נקרא אניון מפני שהוא נמשך לאנודה (האלקטרודה החיובית, כלומר זו שממנה זורמים אלקטרונים החוצה מהתא האלקטרוכימי).

תהליך הפיכת אטום או מולקולה נייטרליים ליון נקרא "יינון", ונעשה על ידי הוספת או הסרת אלקטרון או מספר אלקטרונים.

יינון

יינון הוא התהליך שבמהלכו משתנה המטען החשמלי של אטום, יון או מולקולה כתוצאה מקליטה או שחרור של אלקטרון אחד או יותר. על מנת לגרום לשחרור של אלקטרון מאטום, יון או מולקולה, יש להשקיע אנרגיה גבוהה דיה כדי לפרק את הקשר החשמלי בין האלקטרון והפרוטונים בגרעין האטום. אנרגיה זו מכונה "אנרגיית יינון". בתהליך ההפוך, שבו נקלט אלקטרון, משתחררת אנרגיה הנמדדת על ידי הזיקה האלקטרונית.

הגורמים המשפיעים על אנרגיית יינון:

מרחק: ככל שהמרחק שבין האלקטרון שיוצא מהאטום לגרעין גדל, הכוח החשמלי חלש יותר. מספר רמות האנרגיה הוא מדד למרחק ולכן ככל שיש יותר רמות אנרגיה, אנרגיית היינון קטנה. באותו טור בטבלה המחזורית, ככל שנרד למטה אנרגיית היינון תקטן.

מטען הגרעין: ככל שמטען הגרעין גדול יותר, המשיכה החשמלית גדולה יותר, ותידרש יותר אנרגיה כדי להביא לעזיבתו של האלקטרון (בצורונים בעלי מספר אלקטרונים זהה, (איזואלקטרונים).בדרך כלל אנרגיית היינון הולכת וגדלה לקראת הצד הימני-העליון של טבלת היסודות מפני שככל שנלך ימינה בשורה, הכוח החשמלי יגדל ולכן אנרגיית היינון תגדל. עם זאת, ישנן חריגות מכלל זה.

ככל שהרדיוס האטומי גדול יותר, תידרש השקעה פחותה יותר של אנרגיית יינון.

יסוד כימי

בכימיה, יסוד כימי (או יסוד) הוא קבוצת כל האטומים, שמספר הפרוטונים בהם זהה; מספר הפרוטונים נקרא המספר האטומי והוא קובע את שמו של האטום ואת עיקר תכונותיו הכימיות. אטומים מורכבים מפרוטונים, נייטרונים ואלקטרונים, אולם וריאציות במספרם של שני המרכיבים האחרונים, לא נחשבות לשינוי היסוד. לדוגמה, המספר האטומי של חמצן הוא 8, כלומר בכל אטום חמצן ישנם בדיוק 8 פרוטונים; מספר הנייטרונים בגרעין החמצן משתנה בין איזוטופים שונים של חמצן, אך בצורה הנפוצה ביותר מצויים בו 8 נייטרונים.

ידוע על 118 יסודות שנצפו ונחקרו, אך רק 92 מהם הם יציבים דיים כדי להתקיים בטבע. שאר היסודות מעבר לאורניום, גם אם התקיימו בטבע בעבר הרחוק , נתגלו ונוצרו בצורה מלאכותית במעבדות, ולרוב זמן מחצית חיים שלהם קצר.

שני היסודות הנפוצים ביותר ביקום הם מימן והליום, אך היסודות הנפוצים ביותר על כדור הארץ הם החמצן והצורן.

יסודות מכונים כך כיוון שהם אבני הבניין הבסיסיות של כל החומר הידוע לנו (למעט מקרה קיצון כמו פלזמת קווארקים-גלואונים), ויסוד אחד אינו משתנה לאחר בתהליכים כימיים, אלא רק בתגובות גרעיניות או תהליכים רדיואקטיביים.

כימאי

כימאי הוא אדם העוסק בכימיה.

השם נגזר ממונח ישן יותר - אלכימאי, שעסק באלכימיה. באנגלית בריטית המונח chemist משמעותו גם רוקח.

כימאי הוא מדען שחוקר את הרכב החומר, מבנהו, תכונותיו והשינויים החלים בו במהלך אינטראקציה עם חומר אחר או עם אנרגיה.

כימאים פועלים לשיפור איכותם של מוצרים קיימים או לתכנון ופיתוח של תגובות כימיות שמטרתן לייצר חומרים חדשים בשיטות יעילות וחסכוניות.

לא ניתן כמעט לחשוב על תעשייה שלא נהנית מפירות המחקר המדעי שבוצע על ידי הכימאים.

תפותי שנחשבת לכמאית הראשונה מוזכרת בחרס מהמאה ה-12 לפנה"ס.

כימיה אורגנית

כִימְיָה אוֹרְגָנִית היא ענף בכימיה העוסק במבנה, במאפיינים ובתגובות של תרכובות אורגניות - מגוון החומרים המכילים אטומי פחמן ומימן. לבירור הרכב החומר ומבנהו המרחבי נעשה שימוש בספקטרומטריה ובשיטות כימיות ופיזיקליות אחרות. כמו כן נעשה שימוש בשיטות שונות לאומדן הריאקטיביות הכימית, במטרה להבין את התנהגות החומר האורגני בסביבתו הטבעית (אם ניתן), אולם גם בתמיסות, תערובות ובצורות סינתטיות. חקר התרכובות האורגניות כולל לעיתים את הכנתן במעבדה על ידי סינתזה או באמצעות תגובות עוקבות.

מושא המחקר בכימיה האורגנית כולל פחמימנים - תרכובות המכילות פחמן ומימן בלבד, וגם תרכובות הבנויות מפחמנים ומיסודות שונים. לכימיה האורגנית נקודות השקה עם תחומי מחקר ותעשייה שונים, כגון כימיה מדיצינלית, פרמקולוגיה, ביוכימיה, כימיה אורגנומתכתית, כימיה פולימרית, הנדסת חומרים ועוד.

תרכובות אורגניות הן הבסיס לחיים בכדור הארץ. הן מגוונות מאוד, וטווח השימוש והיישום בהן רחב ביותר. הן הבסיס והמרכיב של מוצרים רבים כמו פלסטיק, תרופות, פטרוכימיקלים (של מוצרי נפט תעשייתיים), מזון, חומרי נפץ וצבעים.

מהנדס

מהנדס הוא אדם העוסק בהנדסה. תפקיד המהנדס הוא ליישם את ההתקדמות המדעית והטכנולוגית שהושגה בתחומים שונים על ידי אנשי מדע ומחקר, לצרכים שונים, כגון מסחר, ביטחון ויישומים רפואיים. המהנדס בדרך כלל מאפיין את הבעיה שלפתרונה הוא נצרך, כולל הצרכים והמגבלות, ועל סמך הידע והניסיון שלו נותן פתרון תכנוני סביר, אך לאו דווקא אופטימלי, לבעיה זו.

בשונה מהחוקר המדעי, המהנדס מתבסס לא רק על ידע מתמטי ומדעי, אלא גם על ידע אמפירי בתחומו, על כללי אצבע ועל פרקטיקות מקובלות, כדי למצוא פתרון שיהיה לא רק נכון, אלא גם כלכלי. מלבד נכונות הפתרון לבעיה, המהנדס עשוי להתחשב במאפיינים שונים של הפתרון, כגון עלויות ייצור ואחזקה. כך למשל, אם הכימאי ינסה למצוא נוסחה לחומר שייתן תכונות מסוימות, ויסנתז אותו במיליגרמים במעבדה, מהנדס כימיה עשוי לנסות למצוא דרך לייצר כמות גדולה של אותו החומר בצורה כלכלית במפעל.

מולקולה

מוֹלֵקוּלָה (מלטינית: Molecula - מסה קטנה; בעברית גם פְּרֻדָּה) היא מונח בכימיה המתאר מבנה (חומר) הבנוי משני אטומים או יותר, המחוברים ביניהם בקשר כימי.

בדרך כלל למולקולה אין מטען חשמלי (סך המטענים החיוביים והשליליים מתאזן); במקרה של מולקולה טעונה, היא מכונה יון (או יון מולקולרי, כדי להבחין בינו לבין יון חד-אטומי). מולקולה עשויה להיות מורכבת ממספר אטומים זהים או שונים. למשל מולקולת חמצן (O2) המורכבת משני אטומים זהים, מולקולת סוכר המורכבת מעשרות אטומים שונים, או מולקולת DNA הבנויה ממיליוני אטומים. מולקולה המורכבת מאטומים שונים היא יחידת בסיס (החלק הלא פריק הקטן ביותר) של תרכובת מולקולרית ומבנה המולקולה, הרכבה וכוחות המשיכה בין אטומיה ובין המולקולות קובעים את תכונות התרכובת.

את המולקולה ניתן לתאר על ידי נוסחה מולקולרית, המפרטת את מספר האטומים מכל סוג במולקולה. כך למשל, הנוסחה המולקולרית של מים היא H2O. ניתן לכתוב נוסחה מולקולרית באופן מצומצם, בו מציינים רק את מספר האטומים הכולל, ללא קשר למבנה, או באופן מפורט, בה מציינים אטומים לפי מיקומם במולקולה. כך לדוגמה, ניתן לתאר באופן מפורט את החומר אתנול בצורה CH3CH2OH, ודימתיל אתר CH3OCH3. בנוסח מצומצם, מתוארים שניהם על ידי הנוסחה C2H6O.

התחום שעוסק בהבנת המבנה המרחבי של מולקולות קרוי סטריאוכימיה, ומולקולות שלא ניתן ליצור חפיפה בינן ובין תמונת המראה שלהן, על ידי פעולת סיבוב במרחב, קרויות מולקולות כיראליות.

המונח "מולקולה" נטבע על ידי הכימאי אמדאו אבוגדרו.

מלח (כימיה)

בכימיה, מלח הוא תרכובת המורכבת מקטיונים (יונים בעלי מטען חשמלי חיובי), שלרוב מופיעים כיסוד מתכתי, ומאניונים (יונים בעלי מטען חשמלי שלילי), שלרוב מופיעים כיסוד אל-מתכתי, באופן שהמטען הכללי של התרכובת הוא נייטרלי. לפיכך, בכל מלח יחס האניונים לקטיונים קבוע, על פי מטענם. המלח מכונה לעיתים חומר יוני בגלל הרכבו.

בשפת היום-יום משמש המושג "מלח" לציון מלח הבישול, אף שזוהי רק דוגמה אחת מני רבות לקבוצת החומרים הכימיים הנקראים מלחים.

מספר CAS

מספר CAS registry number) CAS),

הוא מספר זיהוי יחיד במינו הניתן על ידי שירות התקצירים בכימיה (Chemical Abstracts Service CAS) של האגודה האמריקנית לכימיה, לכל חומר שתואר בספרות המקצועית.

סוגי החומרים הממוספרים הם יסודות, איזוטופים, חלקיקים תת-אטומיים, מתכות, סגסוגות, מינרלים, אורגנומתכות, חלבונים, חומצות גרעין, פולימרים, תרכובות ותערובות נוספות.

מטרת המספור להקל על חיפושים במסדי נתונים, שכן אותו חומר מופיע לעיתים קרובות בשמות שונים. מרבית מסדי הנתונים של מולקולות בעולם תומכים היום בחיפוש לפי מספר CAS.

נכון לנובמבר 2013, המרשם של CAS כולל מעל 75 מיליון חומרים. כ-50 אלף מספרים חדשים נוספים בממוצע כל שבוע.

סינתזה (כימיה)

סִינְתֶּיזָה היא תהליך יצירתה של מולקולה מסוימת באמצעות תגובה כימית בין מולקולות אחרות.

תהליך זה עשוי לכלול תגובה כימית יחידה, או סדרה של תגובות כימיות בשילוב עם תהליכים פיזיקליים. אופן הסינתזה מוגדר היטב, כך שניתן יהיה לחזור עליו במעבדות שונות ולהגיע לאותן תוצאות. חומר סינתטי הוא חומר שאינו קיים בטבע, אלא נוצר באמצעות סינתזה.

תחילתו של מדע הכימיה האורגנית בסינתזה מקרית: הכימאי הגרמני פרידריך ולר יצר במעבדתו בשנת 1828 את התרכובת האורגנית שתנן (N2H4CO, המרכיב העיקרי בשתן) על ידי אידוי של גבישי אמוניום ציאנטי (NH4OCN). ולר ביצע זאת ללא כוונה תחילה. לפני מאורע חשוב זה סברו הכימאים כי קיים הבדל מהותי מאוד (שעל טיבו לא יכלו לעמוד) בין חומרים אורגניים וחומרים אי-אורגניים, ושלעולם לא ניתן יהיה לסנתז את הראשון מהשני. סינתזת השתנן שברה מיתוס זה, ומאז סונתזו בצורה מלאכותית אלפי תרכובות אורגניות.

סינתזה מוגדרת כמוחלטת (טוטאלית) כשמולקולה מורכבת מיוצרת מכמה מולקולות קטנות ופשוטות, אותן ניתן להשיג בקלות. בתגובה סינתטית-למחצה (סמי-סינתטית), לעומת זאת, מייצרים מולקולה מורכבת מכמה מולקולות מורכבות אחרות, אותן נוטלים מעולם הטבע (צמחים, בעלי חיים וכו').

במשמעות מצומצמת יותר, מתייחסת המילה סינתזה לתגובה ישירה בין שני מגיבים ליצירתו של חומר יחיד. המבנה הכללי של סינתזה כזו מתואר בנוסחה:

AB ← A + B

דוגמאות:

2NaCl ← Cl2 + 2Na (יצירת מלח בישול)

SO2 ← O2 + S (יצירת גופרית דו-חמצנית)

2Fe2O3 ← 3O2 + 4Fe (היווצרות של חלודה)

H2CO3 ← H2O + CO2 (פחמן דו-חמצני נמס במים ליצירת חומצה פחמתית)

פולימר

פּוֹלִימֶר (באנגלית: Polymer) הוא חומר העשוי ממולקולות ענק שרשרתיות המורכבות מיחידות חוזרות הקשורות ביניהן בקשרים קוולנטיים, או באמצעות קשרים תוך-מולקולריים חזקים אחרים. מקור השם "פולימר" הוא ביוונית: "פולי" משמעו הרבה, ו"מר" משמעו יחידה. יחידה בפולימר נקראת בשם "מונומר"; ביוונית: "מונו" משמעו אחד, ו"מר" משמעו יחידה.

תהליך החיבור של המונומרים ליצירת פולימר נקרא פִּילְמוּר.

פולימרים שמקורם מהטבע מכונים פולימרים טבעיים. בנוסף להם קיימת קבוצה גדולה נוספת של פולימרים מלאכותיים או חצי מלאכותיים שנקראים פולימרים סינתטיים וחצי-סינתטיים, בהתאמה.

תחומי המדע העיקריים שעוסקים במחקר של פולימרים הם: כימיה וביולוגיה, ובפרט, כימיה אורגנית, כימיה פולימרית, ביוכימיה, ביופיזיקה, ביולוגיה מבנית, וביוטכנולוגיה.

פיתוח תהליכי הייצור והעיבוד ההנדסיים של פולימרים הוא אחד מתחומי העיסוק של ההנדסה הכימית.

פולימרים הם המרכיב העיקרי של כל מוצרי הפלסטיק, והם הקובעים, כמעט, את כל תכונותיו.

תרכובת אורגנית

תרכובת אורגנית הוא שם לקבוצת חומרים הכוללת את רוב רובן של תרכובות הפחמן. מספר קטן של תרכובות מכילות פחמן נחשבות לתרכובות אנאורגניות - כלומר, אינן נחשבות לתרכובות אורגניות, בעיקר מסיבות היסטוריות. מגוון התרכובות האורגניות עצום - מעל ל-10 מיליון; רוב החומרים הידועים לאדם הם תרכובות אורגניות.

מאחר שהסברה הרווחת עד המאה ה-19 הייתה כי תרכובות אלו מסונתזות על ידי יצורים חיים בלבד, דבק בהן השם "אורגניות", כביטוי לכך שמקורן באורגניזמים. הסברה הופרכה בשנת 1828 על ידי הכימאי הגרמני פרידריך ולר שסינתז שתנן במעבדה מחומרים אנאורגניים. מאז סונתזו בתנאי מעבדה תרכובות אורגניות רבות נוספות.

המדע העוסק בכימיה של תרכובות פחמן נקרא "כימיה אורגנית" ומרבית תרכובות הפחמן הן תרכובות אורגניות. בין תרכובות הפחמן האנאורגניות ניתן לציין את הפחמן החד-חמצני (CO), הפחמן דו-חמצני (CO2) והחומצה הפחמתית (H2CO3).

כימיה
ערכי ליבה כימיה אנליטיתביוכימיהכימיה אי-אורגניתכימיה אורגניתכימיה אורגנומתכתיתכימיה פיזיקליתכימיה תאורטיתכימיה חישוביתאלקטרוכימיהסטריאוכימיהכימיה פולימריתכימיה סופרא מולקולריתפרמקולוגיהתרמוכימיהכימיה גרעיניתפוטוכימיהכימיה קוונטית Polymers Logo
ראו גם הטבלה המחזורית • רשימה של תרכובות אנאורגניות • רשימה של תרכובות אורגניות • מונחון IUPAC • נושאים בכימיה • מונחים בכימיה • כימאים
פורטל כימיה

דף זה בשפות אחרות

This page is based on a Wikipedia article written by authors (here).
Text is available under the CC BY-SA 3.0 license; additional terms may apply.
Images, videos and audio are available under their respective licenses.