التعريف بعلم الكيمياء

ما هو علم الكيمياء ؟

علم الكيمياء هو العلم الذي يهتم ويختص بدراسة المادة وتركيباتها وخواصها والتغييرات المختلفة التي تطرا عليها عند حدوث التفاعلات مع المواد الاخرى أو عند حدوث تغيرات في الطاقة  .

ولذلك يمكن القول ان كل المواد التي يتكون منها هذا الكون يمكن وصفها ودراستها بواسطة علم الكيمياء . ويكفي القول بأن اجسامنا ما هي الا مصنع كيميائي تتم فيه العديد والكثير من التفاعلات الكيميائية وذلك مع كل نفس نتنفسه ومع كل حركة نتحركها ، كما ان الكيمياء تدخل في صناعة الغذاء والكساء ووسائل المواصلات .

التطور التاريخي لعلم الكيمياء 

معنى كلمة كيمياء 

يشير بعض المؤرخين ان كلمة كيمياء مشتقة من كلمة السيمياء ، او الكيميا وكلاهما تدلان على ممارسة علم الكيمياء ،وكلمة كيمياء يقال انها عربية لانها مشتقة من الفعل كما يكمي ويعني (ستر - يستر) أو أخفى يخفي مما يدل على ان هذا العلم له اسراره التي لا تذاع للناس ، بل يتداولها المشتغلون والدارسون لهذا العلم في العصور القديمة . 

مراحل تطور علم الكيمياء: 

المرحلى الاولى : 

وفيها ارتبط علم الكيمياء بصناعة بعض الأادوات وخاصة بعد اكتشاف بعض المعادن ، حيث توحي الشواهد الاثرية ان الأنسان قد مارس علم الكيمياء بطرق متعددة خاصة بعد ان عرف الانسان النار وأستخدمها لطهو الطعام فكانت هذه اول العمليات الكيميائية .

إضافة الى ذلك هناك الكثير من الدلائل التي تؤكد ممارسة الانسان القديم لللطب بشكل بدائي وهذا يؤكد قيام الانسان في ذلك الوقت بتجهيز الادوية من الاعشاب . كما ان صناعة الفخار عن طريق تعريض الصلصال لحرارة الشمس انما هي عملية كيميائية.

وفي الفترة الواقعة بين 6 الاف و7 الاف سنة قبل الميلاد تم صناعة ادوات من النحاس عن طريق الطرق ساعدت في صناعة الحراب وادوات الزراعة .

وفي مرحلة لاحقة تمكن الانسان من اكتشاف بعض العناصر مثل الذهب والفضة واستطاع تشكيل هذه المعادن وصناعة ادوات الزينة .

وبحلول الفترة 3 الاف قبل الميلاد كان صناع الفلزات قد اكتسبوا خبرات ومهارات تساعدهم في تمييز الخامات أثناء تسخين تلك الفلزات ، وقد استطاع السومريون صناعة البرونز عن طريق خلط معدن النحاس بالقصدير والتي كانت تتميز بدرجة صلابة عالية مكنتهم من صناعة الاسلحة وادوات الحراثة التي تدوم لفترة اطول ، وسمي هذا العصر بالعصر البرونزي نسبة لانتشار استخدام سبيكة البرونز .

وفي نفس الفترة قبل ثلاثة الاف سنة قبل الميلاد تم اكتشاف الحديد في مصر وكانو يطلقون عليه اسم فلز السماء وهو ما يوضح ان اول عينات تم الحصول عليها كانت موجودة في نيزك ، وقد تمكن الاطباء الهندوس من تحضير الحديد المكربن أو الصلب وذلك عن طريق تسخين الحديد في وجود الكربون .

وفي تلك الفترة ايضا أكتشف الانسان الدهانات والصبغات واستخدمها في صناعة الملابس كما تم اكتشاف صناعة الزجاج عن طريق المصريين القدماء،وتميزت هذه المرحلة بانتشار خرافة سيطرت على عقولالكيميائيين وهي محاولة الحصول على الذهب من معادن اخرى .

وحدة بناء المادة :

كان الاغريق هم اول من بدأوا بالتفكير بوحدة بناء المادة وذلك في العام 600 قبل الميلاد ، حيث كان الفيلسوف طاليس يعتقد ان الماء هو المادة الاساسية الخام لكل ما هو موجود في الطبيعة وكان متاثرا بالتعاليم الدينية البابلية .

ثم بعد ذلط ظهرت نظرية الاربعة عناصر على يد فلاسفة اثينا والذين اعتقدوا ان اساس كل شيئ هو (التراب ، الماء، الهواء، النار)وسادت هذه الفكرة وسيطرت على عقول الكيميائيين حتى نهاية القرن الثامن عشر .

وفي القرن الخامس قبل الميلاد جاء فلاسفة الاغريق بفكرة جديدة مفادها ان المادة تتكون من وحدات صغيرة جدا تسمى الذرات وهذه الذرات غير قابلة للفناء ودخلت كلمة ذرة (Atom) كمصطلح جديد في ذلك الوقت .

وفي العام الثالث قبل الميلاد اعاد ارسطو الناس الى فكرة العناصر الاربعة واضاف اليها خصائص جديدة هي الحرارة والبرودة والسيولة والرطوبة وهي التي تكسب المادة خصائص متعددة حسب زعمه .

المرحلة الثانية : 

حيث تم خلالها ارتباط علم الكيمياء بمهنة الطب ، فقد انصبت الجهود على استخدام علم الكيمياء لتحظير الادوية والعقاقير الطبية ، حيث كان للصينيين والهنود اسهاما بارزا في تطور علم الكيمياء ، وكان الطب هو الحافز لتطور علم الكيمياء ، ولكنهم شغلواانفسهم بخرافة جديدة ، وهي البحث عن مادة تطيل العمر وأسموها "اكسير الحياة " حيث حاولوا تحضير ما يسمى بمشروب الذهب حيث اعتقدوا ان الذهب غير قابل للفساد وبالتالي ربما يصلون الى دمج الذهب في اجسادهم فتطول اعمارهم .

المرحلة الثالثة : 

وقد أرتبطت هذه المرحلة بظهور المنهج التجريبي على يد علماء العرب والمسلمين ، ويشير الكثير من المؤرخين ان القرن التاسع عشر يعد بمثابة العصر الذهبي للحضارات الاسلامية ، حيث كا الفضل يعود لعلماء العرب والمسلمين في وضع الاسس لكثير من العلوم ، ومنها علم الكيمياء ، حيث قاموا بترجمة علوم الامم ونقدوها وصححوا ما جاء فيها ، من خرافات خاصة تلك التي ارتبطت بعلم الكيمياء ، كما كان لهم الفضل في استخدام الملاحظة الدقيقة والتجريب للتوصل الى تفسيرات تعتمد على الاسس والمبادئ العلمية الخالية من الخرافة والشعوذة .

المرحلة الرابعة : 

وتسمى هذه المرحلة بمرحلة الفولوجستون ، وهي المرحلة التي بدأت منذ ظهور نظرية الفلجوستون في القرن الالسابع عشر ، حيث اقترح " جورج شتال" في الفترة الواقعة بين عامي 1701م و 1703م ان المواد القابلة للاحتراق تحوي عنصرا اسماه بالفلوجوستون وهي كلمة اغريقية تعني الاحتراق او الشعلة .

وقد افترضت هذه النظرية ان الاحتراق يحدث عند انطلاق عنصر الفلوجستون من المادة ، وان المواد تختلف في مقادير الفلوجستون الذي يمتلكها ، ولذلك فسرت هذه النظرية ان المواد التي تحتوي على كميات كبيرة او اكبر من عنصر الفلوجستون تكون سريعة الاشتعال ولا يخلف عن احتراقها رماد كثير ، كما فسرت هذه النظرية تحول المعادن الى كلس (اكسيد) عند تسخينها في الهواء حيث قيل انها تفقد الفلوجستون وفقا للمادلة التالية : 

معدن - فلوجستون (يتصاعد الى الهواء) ــــــــــــــــــــــــــ كلس 

كما فسرت هذه النظرية استخلاص المعادن من خاماتها عن طريق تسخينها مع الفحم النباتي ، حيث تفيد هذه النظرية انه عند تسخين الفحم الغني بالفلوجستون مع كلس فان الفحم يفقد ما به من فلوجستون الى الكلس ، فيتحول هذا الكلس الى معدن وفقا للمعادلة التالية : 

كلس + فحم نباتي (غني بالفلوجستون ) ـــــــــــــــــــــــ معدن 

وعلى الرغم من نجاح هذه النظرية في تفسير بعض الظواهر الا انها فشلت في تفسير العديد من المشاهدات ، فقد انهارت هذ النظرية والتي شغلت العلماء قرابة قرن من الزمان ، وذلك بعد ان اثبت لافوازيه بتجاربه الشهيرة على احتراق الفوسفور والزئبق بان الفلزات تحترق في الهواء وتتحد مع جزء منه وهو (الاكسجين) ويؤدي ذلك الى زيادة في وزن المعدن ، وبهذ الطريقة اثبت انه لا يتصاعد اي فلوجستون في هذه العملية ، وذلك لانه لا يحدث فقدان في وزن المعدن عند تسخينه ، وقد اثبت ذلك من خلال تفاعل الزئبق مع الاكسجين ، وفقا للمعادن التالية : 

زئبق + اكسجين ـــــــــــــــــــــــ اكسيد الزئبق 

المرحلة الخامسة :

وهي المرحلة التي بدات في نهاية القرن الثامن عشر ، وقد تميزت هذه المرحلة بظهور العديد من الاكتشافات العلمية على يد علماء بارزين مثل لافوازيه والعالم السويدي كارل شيلي وظهرت خلال هذه المرحلة نظرية دالتون ونظرية تومسون .

المرحلة السادسة : 

وهي المرحلة التي بدات منذ مطلع القرن التاسع عشر الميلادي ، وتميزت باالانفجار المعرفي في مجال الكيمياء ، حيث تطورت النظريات في مجال الكيمياء ومنها على سبيل المثال ظهور النظرية الذرية الحديثة ، فقد برزت نظرية بوهر ونظرية الكم لشرودنجر ، وسوف يتم تقديم عرض تاريخي لتطور هذه النظريات في مواضيع لاحقة

التفاعلات الكيميائية وأنواعها

التفاعلات الكيميائية هي تفاعلات تحدث بين مادة واخرى بحيث تتحول إلى مواد جديدة تختلف في خواصها عن المواد المتفاعلة .

إن مثال ذلك هو تفاعل حمض النيتريك المركز مع سلك النحاس والذي يؤدي على تكون مواد جديدة يطلق عليها غاز ثانى أكسيد النيتروجين ونترات النحاس وهى مواد تختلف تماما عن معدن النحاس وحمض النيتريك .

وهناك أمثلة كثيرة للتغيرات الكيميائية التي نشاهدها في حياتنا اليومية مثل صدأ الحديد والألعاب النارية، التي تطلق في الهواء ليلا أثناء الاحتفالات والأعراس .

يتضح أن التفاعل الكيميائي يشمل الآتي:

١ - إنتاج مواد جديدة لها صفات مختلفة عن المواد الداخلة في التفاعل.

٢ - يحدث تغير في طريقة ترتيب الذرات الناتجة من التفاعل، حيث يصبح ترتيبها مختلف تماما عن ترتيب المواد الداخلة في التفاعل.

٣ - يحدث كسر للروابط الموجودة بين ذرات المواد المتفاعلة وتولد روابط جديدة بين ذرات المواد الناتجة.

٤ - فى بعض التفاعلات قد يحدث امتصاص حرارة كما قد يحدث انبعاث حرارة أثناء بعض التفاعلات.

٥ - عدد ذرات العناصر الداخلة في التفاعل يساوي عدد ذرات المواد الناتجة من التفاعل.

٦ - كتل المواد الداخلة في التفاعل تساوي كتل المواد الناتجة من التفاعل.

قانون حفظ الكتلة يصف ما يحدث أثناء التفاعل الكيميائي:

بما أن التفاعل الكيميائي عبارة عن كسر للروابط الكيميائية للمواد المتفاعلة وإعادة تشكيل لروابط جديدة. فقد كان من الصعب إدراك هذه العملية بالحواس. وقد ساد ت عدة تفسيرات للتفاعلات الكيميائية وكان يعتقد أن بعض الذرات تفنى تماما أثناء التفاعلات الكيميائية أو تتولد ذرات جديدة. إلى أن جاء العالم الفرنسي (انتونى لافوازيه) وأثبت أن كتل المواد الداخلة في التفاعل تساوي كتل المواد الناتجة من التفاعل وتوصل بذلك إلى قانون حفظ الكتلة والذي ينص على أنه وفي أي تفاعل كيميائي فإن كتلة المادة لا تفغى ولا تستحدث ضمن قدرة المخلوق) وهذا يعنى أن التفاعل الكيميائي لا يؤدي إلى استحداث ذرات جديدة لم تكن موجودة ضمن المواد المتفاعلة . وبناء على ذلك فإن ما يحدث أثناء التفاعل الكيميائي هو إعادة ربط هذه الذرات مع بعضها وذلك بكسر الروابط التي كانت موجودة بين ذرات المواد المتفاعلة وتشكيل روابط جديدة تؤدي إلى تكوين مواد جديدة لها صفات مختلفة عن صفات المواد المتفاعلة.

أنواع التفاعلات الكيميائية :

من خلال التفاعلات التي سبق لك دراستها أن التفاعل الكيميائي يسير في اتجاه واحد، بحيث أن جميع المواد الداخلة في التفاعل تستهلك جميعها وينتج عن استهلاكها تكون المواد الناتجة، إلا أن ذلك غير صحيح، حيث إن هناك أنواعا أخرى من التفاعلات، يمكن تصنيفها حسب سلوكها إلى الاتي:

تفاعلات انعكاسية

Reversible Reactions

:

وهى عبارة عن تفاعلات تحدث فى اتجاهين متضادين، حيث تتفاعل المواد الداخلة في التفاعل في الاتجاه الطردي مكونة المواد الناتجة، إلا أن المواد الناتجة سرعان ما تتفاعل مع بعضها لتعطي المواد المتفاعلة ويسري هذا التفاعل في الاتجاه المعاكس للتفاعل الطردي.

ملاحظ : ( الرموز اسفل المعادلات تصف حالة العناصر والمركبات ، ويعني الرمز (غ) الى الحالة الغازية والرمز ( س) الى السائلة والرمز (ص) الى الحالة الصلبة و الرمز (م) الى المحلول .

ومن أمثلة التفاعلات الانعكاسية ما يأتي:

N2 + 3H2  2NH3

(غ) (غ) (غ)

CH3COOH + CH3CH2OH  CH3COOCH2CH3+H2O

(س) (س) (س) (س)

CaCO3  CaO + CO2

(غ) (ص) (ص)

من خلال المجموعة السابقة تلاحظ سهمين متعاكسين، وهما يدلان على أن التفاعل منعكس، أحدهما في الاتجاه الطردي والأخر في الاتجاه العكسي الأمثلة أعلاه، تجد أن التفاعل الانعكاسي يمكن أن يصنف إلى نوعين هما:

أ - تفاعل متجانس: وتكون فيه جميع المواد المتفاعلة والناتجة في حالة واحدة، كما في المعادلة الأولى والثانية.

ب-تفاعل غير متجانس: وتكون فيه جمع المواد المتفاعلة والناتجة في حالات مختلفة، كما في المعادلة الثالثة.

تفاعلات غير انعكاسية

Unreversible Reactions

:

وهي تفاعلات تحدث في اتجاه واحد ، حيث تتفاعل المواد الداخلة في التفاعل في الاتجاه الطردي مكونة المواد الناتجة . وفيما يلي أمثلة لها :

↑ Fe2O3 + 2Al  2O3 + 2Fe

(ص) (ص) (ص) (ص)

↑ Mg + 2HCl  MgCl2 + H2

(غ) (م) (م) (ص)