تويت
الكيمياء
الكيميــاء الدراسة العلمية للمواد. ويبحث الكيميائيون في خواص المواد التي يتكون منها الكون. ويدرسون كيف تتفاعل تلك المواد تحت الظروف المختلفة. ويحاولون إيضاح سلوك هذه المواد بناء على بنيتها التركيبية ومكوناتها. كما يحاول الكيميائيون معرفة التغيرات الكيميائية التي تتضمن تعديلات في التركيب الكيميائي للمواد. فاتحاد الحديد مع أكسجين الهواء ليكوّن الصدأ يمثل تغيرًا كيميائيًا. ويمكن للمواد أن تتغير فيزيائيًا دون حدوث تغيير في تركيبها الكيميائي، فالماء مثلاً يتغير فيزيائيًا وليس كيميائيًا عندما يتجمد.وتستمر التغييرات الكيميائية في الطبيعة وذلك لجعل الحياة ممكنة على وجه الأرض. فأثناء العواصف الرعدية مثلاً، يتسبب البرق في بعض التغيرات الكيميائية. ونتيجة للطاقة الكهربائية والحرارة الناتجة عن الصواعق يتحد بعض النيتروجين والأكسجين في الهواء، وينتج عن ذلك غازات تعرف بأكاسيد النيتروجين. وتذوب هذه الأكاسيد في قطرات المطر أثناء سقوطها إلى سطح الأرض وتتحول كيميائيًا داخل التربة إلى نترات، وهي مواد تعمل كمخصِّب (سماد).
كما يحدث التفاعل الكيميائي أيضًا عندما يحترق الخشب ويتحول إلى رماد وغازات. كذلك الطعام الذي نتناوله يمر عبر العديد من التغيرات الكيميائية داخل أجسامنا.
لقد تعلم الكيميائيون الكثير عن المواد الكيميائية والعمليات التي تحدث في الطبيعة. وإضافة لذلك تمكن الباحثـون الكيميائيـون من تحضير العديد من المـواد المفيدة التي لا توجد في الطبيعة. وتشمل المواد الناتجة عن الأبحاث الكيميائية، الألياف الصناعية والعقاقير والأصباغ والأسمدة والبلاستيك. وقد حسنت المعرفة التي اكتسبها الكيميائيون والمواد التي أنتجوها كثيرًا من حياة البشر.
عمل الكيميائيين
تعنى الكيمياء بدراسة العديد من المواد. وتختلف المواد كثيرًا في خصائصها وصيغها البنائية وتركيبها، كما تختلف كثيرًا الطرق التي يستخدمها الكيميائيون والأسئلة التي يحاولون الإجابة عليها. ولكن جميع الكيميائيين يتفقون على الأفكار والمبادئ الأساسية للكيمياء.
المبادئ الأساسية للكيمياء. تمثل العناصر الكيميائية المواد الأساسية للكيمياء، فهي بمثابة حجارة البناء للمواد الأخرى جميعًا. وكل عنصر كيميائي يتكون من نوع واحد من الذرات التي تختلف عن ذرات أي عنصر آخر. ويستخدم الكيميائيون حروف الهجاء اللاتينية رموزًا للدلالة على العناصر المختلفة، فالحروف C,H,O,Fe على سبيل المثال، ترمز على التوالي لعناصر الكربون والهيدروجين والأكسجين والحديد. وقد ثبت وجود 91 عنصرًا في الطبيعة حتى الآن، كما أن هناك نحو 20 عنصرًا آخر تم إنتاجها صناعيًًا.
ينتج عن القوى الكهربائية على مستوى الذرة روابط كيميائية تربط بين ذرتين أو أكثر لتكون جزيئات. وتتكون بعض الجزيئات من ذرات عنصر واحد فقط. فجزيئات الأكسجين مثلاً تتكون من ذرتي أكسجين ويرمز الكيميائيون لهذا الجزئي بالصيغة الكيميائية O2 وفيها يمثل الرقم 2 عدد الذرات في الجزيء.
وعندما ترتبط ذرات عنصرين مختلفين أو أكثر بعضهما مع بعض تكون مركبًا كيميائيًا. فالماء مثلا مركّب كيميائي يتكوّن من ذرتي هيدروجين وذرة أكسجين. والصيغة الكيميائية لجزيء الماء هي .
تتكون المركبات أو تتفكك بوساطة التفاعلات الكيميائية التي تقتضي تكوين أو تفكيك الروابط الكيميائية. ويستخدم الكيميائيون المعادلات الكيميائية للدلالة على يحدث في التفاعلات الكيميائية. وتتركب المعادلات الكيميائية من صيغ كيميائية ورموز توضح المواد المشتركة في التفاعل الكيميائي، فالمعادلة التالية مثلا:
C + O2¿CO2
تعبر عن التغير الكيميائي الذي يحدث عندما تتفاعل أو ترتبط ذرة كربون واحدة مع جزيء أكسجين، وينتج عن ذلك جزيء ثاني أكسيد الكربون وصيغته CO2 .
المدى الواسع للدراسة. يدرس الكيميائيون المواد للإجابة عن الأسئلة التي تدور في أذهانهم أو يسألون عنها، فالعديد من الكيميائيين يدرسون مجموعات خاصة من المواد كالمركبات المحتوية على الروابط بين ذرات الكربون مثلاً. كما يتخصص بعض الكيميائيين في الطرق التي تمكنهم من تحليل المواد وتعيين العناصر والمركبات المكونة لها. كما يدرس كيميائيون آخرون القوى التي تدخل في التغيرات الكيميائية. وتتعامل أغلب البحوث الكيميائية مع الصيغ البنائية لذرات وجزيئات المواد. ويحاول بعض الكيميائيين التنبؤ بالسلوك الكيميائي للقوى الموجودة داخل الذرة اعتمادًا على النظريات المعروفة. كما يعمل الكيميائيون على تحضير مواد جديدة إلى جانب مواد أخرى موجودة في الطبيعة ولكنها نادرة. ويسمى هذا الحقل بالكيمياء الاصطناعية. ويعمل العديد من الكيميائيين في توظيف معرفتهم لاستخدام المواد والعمليات والطرق الكيميائية في الزراعة والصناعة والطب ومجالات أخرى عديدة.
وفي بعض الحالات تتداخل الكيمياء مع علوم أخرى مثل، علوم الحياة والجيولوجيا والرياضيات والفيزياء للمدى الذي أنتج العديد من العلوم المتداخلة. فالكيمياء الحيوية مثلاً تجمع بين علمي الأحياء والكيمياء في دراسة العمليات الكيميائية للكائنات الحية. كما أن الجيوكيمياء تدرس العمليات الكيميائية التي تحدث على الأرض وفي الغلاف الجوي. ويدرس علماء الجيوكيمياء الصيغ البنائية للصخور والمعادن وتركيبها، بينما تختص الكيمياء الفلكية بدراسة تركيب المواد في النجوم والفضاء الكوني.
الأدوات وأساليب العمل. يستخدم الكيميائيون مجموعة واسعة ومتنوعة من الأدوات وأساليب العمل. وتساعد الأجهزة المتخصصة والحواسيب الكيميائيين في عمل قياسات دقيقة، فباستخدام نبيطة تسمى المطياف الكتلي مثلاً، يستطيع الكيميائيون تحديد كتلة الجزيئات ونوع الذرات المكونة لها. والكتلة هي الكمية الكلية للمادة التي يحتويها شيء ما. ويستطيع الكيميائيون التعرف على الطريقة التي تنتظم بها الذرات في الجزيء باستخدام الأجهزة التي تقيس الأشعة التي يمتصها أو يبعثها ذلك الجزيء. كما يستطيع الكيميائيون باستخدام الطرق الكروماتوغرافية فصل المخاليط المعقدة إلى مكوناتها وكذلك كشف وقياس التراكيز المتدنية من المواد كملوثات الهواء والماء مثلاً.
نبذة تاريخية
البدايات. توصل إنسان ما قبل التاريخ إلى اكتشافات كثيرة ومفيدة عن طريق ملاحظة خصائص المواد الطبيعية والتغيرات التي تحدث لهذه المواد.
فقد استخدم الإنسان النار قبل مليون ونصف المليون عام. وكانت النار أول تفاعل كيميائي استطاع الإنسان إنتاجه والسيطرة عليه. ولقد مكّن استعمال النار الإنسان من تغيير خصائص المواد؛ فقد استخدمت النار في الطهي وفي جعل الأواني الفخارية أكثر صلابة وفي صهر الخامات المعدنية. كما تمكن الإنسان، باستخدام النار، من تحضير مواد جديدة. فعلى سبيل المثال استطاع الإنسان حوالي عام 3500 ق. م. صنع البرونز بخلط مصهور النحاس والقصدير.
ولقد اعتقدت شعوب العديد من الحضارات القديمة ـ باطلاً ـ بأن الآلهة أو الأرواح هي التي تسبب الأحداث الطبيعية. ولكن في القرن السابع قبل الميلاد نظر بعض الفلاسفة الإغريق للطبيعة بمنظار آخر إذ اعتقدوا بأن الطبيعة تسير وفقًا لقوانين يستطيع الإنسان اكتشافها بالملاحظة والمنطق.
وقد وضع العديد من الفلاسفة الإغريق نظريات حول المواد الأساسية التي يتكون منها العالم. وذهب الفيلسوف الإغريقي إمبيدوقليز الذي عاش في القرن الخامس قبل الميلاد، إلى أن هناك أربعة عناصر أساسية هي الهواء والتراب والنار والماء، وأن هذه العناصر تتحد بنسب مختلفة لتكوّن كل المواد الأخرى.
وفي القرن الخامس قبل الميلاد. كان من تعاليم الفيلسوف الإغريقي ديموقريطس أن كل المواد تتكون من مادة واحدة توجد على هيئة وحدات صغيرة لا تتكسر (تتحطم) تُسمَّى الذرات. وبناء على هذه النظرية، فإن الاختلاف بين المواد هو فقط بسبب الاختلاف في حجم وشكل وموقع ذراتها.
واعتقد الفيلسوف الإغريقي أرسطو الذي عاش في القرن الرابع قبل الميلاد أن أيًّا من العناصر الأساسية الأربعة التي اقترحها إمبيدوقليز يمكن تحويلها إلى أي من العناصر الأخرى بإضافة أو إزالة الحرارة والرطوبة. وقد قرر أن هذا التغيير ـ ويعرف بالتحول ـ يحدث كلما دخل عنصر ما في تفاعل كيميائي، أو تحول من حالة فيزيائية (صلب، غاز، سائل) إلى حالة أخرى. فقد اعتقد أرسطو بأن الماء مثلاً يتحول إلى هواء عند تسخينه.
الخيمياء. أثناء الثلاثمائة سنة الأولى بعد ميلاد المسيح قام العلماء والحرفيون في مصر بتطوير وممارسة مهنة كيميائية عُرفت باسم الخيمياء وبنوا عملهم على نظرية تحوّل العناصر لأرسطو، حيث حاولوا تحويل الرصاص والفلزات الأخرى إلى ذهب. وانتقلت الخيمياء إلى شبه الجزيرة العربية في القرن السابع الميلادي ومنها إلى أغلب أوروبا الغربية في القرن الثاني عشر الميلادي. وقد مثلت الخيمياء مصدرًا رئيسيًا للمعرفة الكيميائية حتى القرن السابع عشر الميلادي.
ورغم أن الخيميائيين فشلوا في مسعاهم لصنع الذهب من المواد الأخرى، خلال القرون العديدة التي قضوها في تجاربهم، إلا أنهم اكتسبوا معرفة واسعة بالمواد الكيميائية. ولا يزال الكيميائيون في العصر الحاضر يستخدمون العديد من الأدوات المخبرية والطرق والأساليب التي اخترعها الخيميائيون، مثل الأقماع والمصافي والموازين المستعملة لوزن المواد الكيميائية والجفان (بواتق لصهر المعادن). وتعلّموا تحضير الأحماض والكحولات المختلفة واستعمالها.
كان الكيميائي الأيرلندي روبرت بويل الذي عاش في القرن السابع عشر الميلادي من أوائل الكيميائيين المحدثين وقال إن النظريات لابد أن تدعمها التجارب العملية. وقام بويل بإجراء العديد من التجارب التي أثبتت أن الهواء والتراب والنار والماء ليست عناصر حقيقية. وكان يرى أن أفضل تفسير لخصائص المادة هو الذي تصفه نظرية الذرات التي تقول بأن المادة تتكون من جسيمات صغيرة في حركة دائمة.
الكيمياء العربية. مع نهايات القرن الثالث الهجري وأوائل الرابع أضفى الكيميائيون العرب على هذا العلم أصالة البحث العلمي التجريبي. ومن خلال تجاربهم توصلوا إلى مواد كيميائية جديدة: اكتشفوها أو حضروها مثل حمض الكبريتيك H2SO4 الذي أطلقوا عليه زيت الزاج، وحمض النتريك
HNO2 وسموه ماء الفضة وغير ذلك.
وأهم العمليات التي استخدموها في العمليات الكيميائية 1- التسوية 2- التقطير 3- التنقية 4- التسامي 5- التصعيد. وكان أول من استخدم طريقة التصعيد الكندي وقد ألف في ذلك كتابه المعروف باسم تصعيد العطور. كما استخدموا لأول مرة في التاريخ أول ميزان حساس في التجارب المختبرية وذلك نحو عام 190هـ، 805م. كما برعوا في الصناعات الكيميائية التي بدأ عصرها عندهم نحو عام 250هـ، 863م، وصنعوا أول مادة كيميائية مضادة للحريق في منتصف القرن الثالث الهجري أواخر التاسع الميلادي. ونجد أنهم مزجوا الذهب بالفضة، واستخدموا القصدير لمنع التأكسد والصدأ في الأواني النحاسية.
ومن المواد الكيميائية التي اكتشفها العرب ولها دور كبير في الصناعة، الحمض الأوزوني وأطلقوا عليه الماء المحلل. ويستهلك حاليًا بكميات كبيرة في الصناعات المختلفة مثل الماء الملكي والنتروبنزين، والنتروكليسرين.
ينتج عن القوى الكهربائية على مستوى الذرة روابط كيميائية تربط بين ذرتين أو أكثر لتكون جزيئات. وتتكون بعض الجزيئات من ذرات عنصر واحد فقط. فجزيئات الأكسجين مثلاً تتكون من ذرتي أكسجين ويرمز الكيميائيون لهذا الجزئي بالصيغة الكيميائية O2 وفيها يمثل الرقم 2 عدد الذرات في الجزيء.
وعندما ترتبط ذرات عنصرين مختلفين أو أكثر بعضهما مع بعض تكون مركبًا كيميائيًا. فالماء مثلا مركّب كيميائي يتكوّن من ذرتي هيدروجين وذرة أكسجين. والصيغة الكيميائية لجزيء الماء هي .
تتكون المركبات أو تتفكك بوساطة التفاعلات الكيميائية التي تقتضي تكوين أو تفكيك الروابط الكيميائية. ويستخدم الكيميائيون المعادلات الكيميائية للدلالة على يحدث في التفاعلات الكيميائية. وتتركب المعادلات الكيميائية من صيغ كيميائية ورموز توضح المواد المشتركة في التفاعل الكيميائي، فالمعادلة التالية مثلا:
C + O2¿CO2
تعبر عن التغير الكيميائي الذي يحدث عندما تتفاعل أو ترتبط ذرة كربون واحدة مع جزيء أكسجين، وينتج عن ذلك جزيء ثاني أكسيد الكربون وصيغته CO2 .
المدى الواسع للدراسة. يدرس الكيميائيون المواد للإجابة عن الأسئلة التي تدور في أذهانهم أو يسألون عنها، فالعديد من الكيميائيين يدرسون مجموعات خاصة من المواد كالمركبات المحتوية على الروابط بين ذرات الكربون مثلاً. كما يتخصص بعض الكيميائيين في الطرق التي تمكنهم من تحليل المواد وتعيين العناصر والمركبات المكونة لها. كما يدرس كيميائيون آخرون القوى التي تدخل في التغيرات الكيميائية. وتتعامل أغلب البحوث الكيميائية مع الصيغ البنائية لذرات وجزيئات المواد. ويحاول بعض الكيميائيين التنبؤ بالسلوك الكيميائي للقوى الموجودة داخل الذرة اعتمادًا على النظريات المعروفة. كما يعمل الكيميائيون على تحضير مواد جديدة إلى جانب مواد أخرى موجودة في الطبيعة ولكنها نادرة. ويسمى هذا الحقل بالكيمياء الاصطناعية. ويعمل العديد من الكيميائيين في توظيف معرفتهم لاستخدام المواد والعمليات والطرق الكيميائية في الزراعة والصناعة والطب ومجالات أخرى عديدة.
وفي بعض الحالات تتداخل الكيمياء مع علوم أخرى مثل، علوم الحياة والجيولوجيا والرياضيات والفيزياء للمدى الذي أنتج العديد من العلوم المتداخلة. فالكيمياء الحيوية مثلاً تجمع بين علمي الأحياء والكيمياء في دراسة العمليات الكيميائية للكائنات الحية. كما أن الجيوكيمياء تدرس العمليات الكيميائية التي تحدث على الأرض وفي الغلاف الجوي. ويدرس علماء الجيوكيمياء الصيغ البنائية للصخور والمعادن وتركيبها، بينما تختص الكيمياء الفلكية بدراسة تركيب المواد في النجوم والفضاء الكوني.
الأدوات وأساليب العمل. يستخدم الكيميائيون مجموعة واسعة ومتنوعة من الأدوات وأساليب العمل. وتساعد الأجهزة المتخصصة والحواسيب الكيميائيين في عمل قياسات دقيقة، فباستخدام نبيطة تسمى المطياف الكتلي مثلاً، يستطيع الكيميائيون تحديد كتلة الجزيئات ونوع الذرات المكونة لها. والكتلة هي الكمية الكلية للمادة التي يحتويها شيء ما. ويستطيع الكيميائيون التعرف على الطريقة التي تنتظم بها الذرات في الجزيء باستخدام الأجهزة التي تقيس الأشعة التي يمتصها أو يبعثها ذلك الجزيء. كما يستطيع الكيميائيون باستخدام الطرق الكروماتوغرافية فصل المخاليط المعقدة إلى مكوناتها وكذلك كشف وقياس التراكيز المتدنية من المواد كملوثات الهواء والماء مثلاً.
نبذة تاريخية
البدايات. توصل إنسان ما قبل التاريخ إلى اكتشافات كثيرة ومفيدة عن طريق ملاحظة خصائص المواد الطبيعية والتغيرات التي تحدث لهذه المواد.
فقد استخدم الإنسان النار قبل مليون ونصف المليون عام. وكانت النار أول تفاعل كيميائي استطاع الإنسان إنتاجه والسيطرة عليه. ولقد مكّن استعمال النار الإنسان من تغيير خصائص المواد؛ فقد استخدمت النار في الطهي وفي جعل الأواني الفخارية أكثر صلابة وفي صهر الخامات المعدنية. كما تمكن الإنسان، باستخدام النار، من تحضير مواد جديدة. فعلى سبيل المثال استطاع الإنسان حوالي عام 3500 ق. م. صنع البرونز بخلط مصهور النحاس والقصدير.
ولقد اعتقدت شعوب العديد من الحضارات القديمة ـ باطلاً ـ بأن الآلهة أو الأرواح هي التي تسبب الأحداث الطبيعية. ولكن في القرن السابع قبل الميلاد نظر بعض الفلاسفة الإغريق للطبيعة بمنظار آخر إذ اعتقدوا بأن الطبيعة تسير وفقًا لقوانين يستطيع الإنسان اكتشافها بالملاحظة والمنطق.
وقد وضع العديد من الفلاسفة الإغريق نظريات حول المواد الأساسية التي يتكون منها العالم. وذهب الفيلسوف الإغريقي إمبيدوقليز الذي عاش في القرن الخامس قبل الميلاد، إلى أن هناك أربعة عناصر أساسية هي الهواء والتراب والنار والماء، وأن هذه العناصر تتحد بنسب مختلفة لتكوّن كل المواد الأخرى.
وفي القرن الخامس قبل الميلاد. كان من تعاليم الفيلسوف الإغريقي ديموقريطس أن كل المواد تتكون من مادة واحدة توجد على هيئة وحدات صغيرة لا تتكسر (تتحطم) تُسمَّى الذرات. وبناء على هذه النظرية، فإن الاختلاف بين المواد هو فقط بسبب الاختلاف في حجم وشكل وموقع ذراتها.
واعتقد الفيلسوف الإغريقي أرسطو الذي عاش في القرن الرابع قبل الميلاد أن أيًّا من العناصر الأساسية الأربعة التي اقترحها إمبيدوقليز يمكن تحويلها إلى أي من العناصر الأخرى بإضافة أو إزالة الحرارة والرطوبة. وقد قرر أن هذا التغيير ـ ويعرف بالتحول ـ يحدث كلما دخل عنصر ما في تفاعل كيميائي، أو تحول من حالة فيزيائية (صلب، غاز، سائل) إلى حالة أخرى. فقد اعتقد أرسطو بأن الماء مثلاً يتحول إلى هواء عند تسخينه.
الخيمياء. أثناء الثلاثمائة سنة الأولى بعد ميلاد المسيح قام العلماء والحرفيون في مصر بتطوير وممارسة مهنة كيميائية عُرفت باسم الخيمياء وبنوا عملهم على نظرية تحوّل العناصر لأرسطو، حيث حاولوا تحويل الرصاص والفلزات الأخرى إلى ذهب. وانتقلت الخيمياء إلى شبه الجزيرة العربية في القرن السابع الميلادي ومنها إلى أغلب أوروبا الغربية في القرن الثاني عشر الميلادي. وقد مثلت الخيمياء مصدرًا رئيسيًا للمعرفة الكيميائية حتى القرن السابع عشر الميلادي.
ورغم أن الخيميائيين فشلوا في مسعاهم لصنع الذهب من المواد الأخرى، خلال القرون العديدة التي قضوها في تجاربهم، إلا أنهم اكتسبوا معرفة واسعة بالمواد الكيميائية. ولا يزال الكيميائيون في العصر الحاضر يستخدمون العديد من الأدوات المخبرية والطرق والأساليب التي اخترعها الخيميائيون، مثل الأقماع والمصافي والموازين المستعملة لوزن المواد الكيميائية والجفان (بواتق لصهر المعادن). وتعلّموا تحضير الأحماض والكحولات المختلفة واستعمالها.
كان الكيميائي الأيرلندي روبرت بويل الذي عاش في القرن السابع عشر الميلادي من أوائل الكيميائيين المحدثين وقال إن النظريات لابد أن تدعمها التجارب العملية. وقام بويل بإجراء العديد من التجارب التي أثبتت أن الهواء والتراب والنار والماء ليست عناصر حقيقية. وكان يرى أن أفضل تفسير لخصائص المادة هو الذي تصفه نظرية الذرات التي تقول بأن المادة تتكون من جسيمات صغيرة في حركة دائمة.
الكيمياء العربية. مع نهايات القرن الثالث الهجري وأوائل الرابع أضفى الكيميائيون العرب على هذا العلم أصالة البحث العلمي التجريبي. ومن خلال تجاربهم توصلوا إلى مواد كيميائية جديدة: اكتشفوها أو حضروها مثل حمض الكبريتيك H2SO4 الذي أطلقوا عليه زيت الزاج، وحمض النتريك
HNO2 وسموه ماء الفضة وغير ذلك.
وأهم العمليات التي استخدموها في العمليات الكيميائية 1- التسوية 2- التقطير 3- التنقية 4- التسامي 5- التصعيد. وكان أول من استخدم طريقة التصعيد الكندي وقد ألف في ذلك كتابه المعروف باسم تصعيد العطور. كما استخدموا لأول مرة في التاريخ أول ميزان حساس في التجارب المختبرية وذلك نحو عام 190هـ، 805م. كما برعوا في الصناعات الكيميائية التي بدأ عصرها عندهم نحو عام 250هـ، 863م، وصنعوا أول مادة كيميائية مضادة للحريق في منتصف القرن الثالث الهجري أواخر التاسع الميلادي. ونجد أنهم مزجوا الذهب بالفضة، واستخدموا القصدير لمنع التأكسد والصدأ في الأواني النحاسية.
ومن المواد الكيميائية التي اكتشفها العرب ولها دور كبير في الصناعة، الحمض الأوزوني وأطلقوا عليه الماء المحلل. ويستهلك حاليًا بكميات كبيرة في الصناعات المختلفة مثل الماء الملكي والنتروبنزين، والنتروكليسرين.
المصدر / كتاب "الكيمياء البسيط "
.gif "Smiles (71)")
تعليق