כימיה

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

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.

כימיה (אנגלית: Chemistry) היא המדע העוסק בהרכב, מבנה, תכונות החומר ובשינויים החלים בו במהלך תגובות כימיות. כימיה היא דיסציפלינה מדעית הקשורה לחקר של אטומים, מולקולות, גבישים וצברים אחרים של חומר, בין אם הם מצויים בהרכב מסוים או בצורה מבודדת. הכימיה משלבת את מושגי האנרגיה והאנטרופיה ביחס לספונטניות ותהליכים כימיים.

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.

מבחינה היסטורית, הכימיה המודרנית התפתחה מהאלכימיה בעקבות המהפכה הכימית (1773).

תוכן עניינים 1 סקירה כללית 2 אטימולוגיה 3 היסטוריה 4 מושגים בסיסיים 4.1 אטום 4.2 יסוד כימי 4.3 תרכובת 4.4 כימיקל 4.5 מולקולה 4.6 מול 4.7 יונים ומלחים 4.8 מצב צבירה 4.9 קשר כימי 4.10 תגובה כימית 4.11 אנרגיה 4.12 חוקים כימיים 5 תחומי משנה 6 ראו גם 7 לקריאה נוספת 7.1 מדע פופולרי 7.2 כימיה למתחילים 7.3 כימיה למתקדמים 8 קישורים חיצוניים

[עריכה] סקירה כללית

כימיה היא המחקר המדעי של האינטרקציות בין חומרים הנקראים חומרים כימיים, ומורכבים מאטומים או מאבני הבניין המרכיבות את האטומים: פרוטון, אלקטרון ונייטרון. אטומים יכולים להתקבץ ביחד וליצור יונים, מולקולות או גבישים. ניתן לכנות את הכימיה "המדע המרכזי" כיוון שהיא מקשרת בין תחומים נוספים של מדעי הטבע, כגון אסטרונומיה, פיזיקה, מדע החומרים, ביולוגיה וגאולוגיה.

את מקורה של הכימיה נהוג לייחס לתחומי התמחות מסוימים, הידועים כאלכימיה, שהיו נפוצים במשך אלפי שנים בחלקים רבים של העולם, ובייחוד במזרח התיכון.

המבנה של החפצים שאנו משתמשים בהם באופן שוטף והתכונות של החומר שאיתו אנו באים במגע, הם התוצאה של תכונותיהן של תרכובות כימיות והאינטרקציות 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 בתנאי החדר.

השינויים הנחקרים בכימיה הם תוצאה של אינטרקציה בין חומרים שונים או בין חומר לאנרגיה. הכימיה המסורתית כוללת בתוכה חקר של אינטרקציות בין חומרים שונים במעבדה, וזאת באמצעות שימוש בצורות שונות של כלים (בהרבה מקרים הכלים הללו עשויים מזכוכית).

תגובה כימית היא השינוי שעוברים חומרים מסוימים כך שהם הופכים לחומרים אחרים. ניתן לתאר אותה בצורה סמלית באמצעות משוואה כימית. מספר האטומים בצד שמאל ובצד ימין של המשוואה שווים בדרך כלל. המאפיינים של תגובות כימיות בחומר מסוים והאנרגיה הגורמת לשינוי נתונים לאילוצים של חוקים בסיסיים, הידועים כחוקים כימיים.

שיקולי אנרגיה ואנטרופיה חשובים מאוד באופן תמידי בכל המחקרים הכימיים. חומרים כימיים מסווגים במונחים של מבנה, מצב צבירה וההרכב הכימי. ניתן לנתח אותם באמצעות שימוש בשיטות של אנליזה כימית, כגון ספקטרוסקופיה וכרומטוגרפיה.

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 לתלמיד/סטודנט לרכוש כלים וכישורים שימושיים ברמות מתקדמות יותר, שבהן נלמדים תחומי המשנה של הכימיה בצורה יותר מעמיקה. מדען המעורב במחקר כימי נקרא כימאי. רוב הכימאים מתמחים בדיסציפלינת משנה אחת או יותר.

[עריכה] אטימולוגיה

מבחינה אטימולוגית, המקור של המילה כימיה הוא באלכימיה, שהיא בעיקרון המחקר שניסה ליצור זהב מחומרי מוצא בסיסיים. ישנה מחלוקת באשר למקור של המילה אלכימיה עצמה; ישנן ראיות לכך שהיא הייתה בשימוש ביוון העתיקה, וממחקרים מסוימים הוסק שיש לה גם מקור מצרי קדום. אלכימיה, באופן כללי, נגזרת מהמילה alkemia (צרפתית עתיקה) הנגזרת מהמילה הערבית al-kimia: אמנות השינוי. הערבים "לקחו בהשאלה" את המילה "kimia" מהיוונים כאשר הם כבשו את אלכסנדריה בשנת 642.

[עריכה] היסטוריה

ראשיתה של הכימיה היא בפילוסופיה היוונית, שאחד ממאפייניה הבולטים היה תאוריית ארבע 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 השמיים. 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 (לכוהול 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.

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 יוהן 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 החמצ] 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.

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 השבדי ברצליוס והרוסי מנדלייב. ברצליוס זיהה יסודות כימים 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.

[עריכה] מושגים בסיסיים

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

[עריכה] אטום

ערך מורחב – 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, והוא כולל מספר אלקטרונים שמקיפים את גרעין האטום ומאזנים את המטען החיובי בגרעין. 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.

[עריכה] יסוד כימי

ערך מורחב – יסוד כימי

יסוד כימי מוגדר על ידי מספר ייחודי של פרוטונים הנמצאים בגרעין האטומים שלו. מספר זה ידוע כמספר 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) 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 והמספר האטומי.

[עריכה] תרכובת

ערך מורחב – תרכובת

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

[עריכה] כימיקל

ערך מורחב – 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 תערובת כגון אוויר, סגסוגות, ביומסה וכדומה.

מערכת מתן השמות לכימיקלים היא חלק חשוב ביותר בשפה הכימית. בשלב מוקדם יותר של היסטוריית 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. לפי שיטה זו כל כימיקל מזוהה לפי מספר נומרי הידוע כמספר CAS.

[עריכה] מולקולה

ערך מורחב – 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 נייטרלי מבחינה חשמלית וכל אלקטרוני הקשר מזווגים עם אלקטרונים אחרים בקשר כימי או שהם נמצאים במולקולה כאלקטרונים בלתי קושרים.

אחת מהתכונות העיקריות של מולקולה היא הגאומטריה שלה המכונה לעתים 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 המאפיינים הכימיים.

[עריכה] מול

ערך מורחב – מול

מול הוא כמות החומר המכיל 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 כקבוע 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.

[עריכה] יונים ומלחים

ערכים מורחבים – יון, מלח

יון הוא אטום או מולקולה בעלי מטען חשמלי שאיבדו או קלטו אלקטרון אחד או יותר. קטיונים (יונים טעונים במטען חשמלי חיובי) ואניונים (יונים טעונים במטען 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.

[עריכה] מצב צבירה

ערך מורחב – מצב צבירה

בנוסף להבדלים בתכונותיהם הכימיות, כימיקלים שונים יכולים להימצא במצבי צבירה שונים. לרוב, הסיווג הכימי לא תלוי במצב הצבירה; אולם, מספר מצבי צבירה אקזוטיים אינם מתאימים למספר תכונות כימיות. מצב צבירה הוא 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 למצבי צבירה. מצב הצבירה של החומר מוגדר על ידי כמות האנרגיה הנמצאת במערכת ובאופי הקשרים הכימיים בין האטומים והמולקולות.

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 זאת קבועה עבור תנאים מסוימים, נוח להגדיר באמצעותה את התנאים הללו.

הדוגמאות המוכרות ביותר למצבי צבירה הן מוצק, נוזל וגז. רוב החומרים יכולים להתקיים בכמה 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.

[עריכה] 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 בגרעין ובין המטענים השליליים המקיפים אותם. מעבר למשיכה ודחייה פשוטות, האנרגיות והמיקום של האלקטרון מגדירות את יכולתו להיקשר לאטום אחר. הפוטנציאלים הללו יוצרים את האינטרקציות המחזיקות את האטומים במולקולות ובגבישים. בתרכובות פשוטות רבות ניתן לעשות שימוש בתאוריות המסבירות את אופי הקשר הכימי על מנת לנבא את המבנה המולקולרי וההרכב. באופן דומה, ניתן ליישם תאוריות פיזיקליות על מנת לנבא מבנים יוניים רבים. בתרכובות יותר מורכבות, כגון קומפלקסים מתכתיים, התאוריות הקלאסיות (כגון תאוריית הקשר הוולנטי) נכשלות ויש צורך להשתמש בגישות אחרות, המבוססות בעיקר על עקרונות של הכימיה הקוונטית כגון אורביטלים מולקולריים.

[עריכה] תגובה כימית

ערך מורחב – תגובה כימית

תגובה כימית היא שינוי של כימיקל באמצעות אינטרקציה עם כימיקל אחר, או כתוצאה מאינטרקציה עם אנרגיה. תגובה כימית יכולה להתרחש באופן טבעי או להתבצע במעבדה על ידי כימאים בכלים ייחודיים. 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 וסוגי האטומים בשני צידי המשוואה שווים זה לזה, בתגובה גרעינית הדבר נכון רק לגבי החלקיקים הגרעינים – 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 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 באופן שבו היא תכלול 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.

[עריכה] 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 פחות אנרגיה מאשר במצב ההתחלתי; התגובה היא אנדותרמית כאשר המצב הפוך.

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

המושג של אנרגיה חופשית, המשלב שיקולים אנטרופיים, הוא שימושי מאוד בניבוי ההיתכנות של 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 אפס 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/מולקולות ברמת אנרגיה גבוהה יותר נקראים "מעוררים" והם נוטים במידה רבה יותר להגיב 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 ולחץ תקניים, וזאת כיוון שהמולקולות קשורות בקשרי דיפול-דיפול שהם חלשים יותר.

מעבר האנרגיה מכימיקל אחד לאחר תלוי בגודל של קוונט האנרגיה הנפלט מהכימיקל. אולם, אנרגיית חום מועברת בקלות כמעט מכל חומר, והסיבה העיקרית לכך היא כיוון שרמות אנרגיה ויברציונית ורוטציונית קרובות מאוד זו לזו. 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 שלהם.

[עריכה] חוקים כימיים

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 ובמקרומולקולות ביולוגיות) היחסים נוטים לדרוש מספרים גדולים, ובמקרים רבים הם מיוצגים כשברים.
• חוק היחסים המרובים
• חוק הס
• חוק בר-למבר
• חוק הדיפוזיה של פיק
• חוק ראול
• חוק הנרי
• חוק בויל-מריוט
• חוק שארל
• חוק גיי-ליסק
• חוק אבוגדרו
• כלל מרקובניקוב

[עריכה] תחומי משנה

כימיה מחולקת בדרך כלל לכמה תחומי משנה עיקריים (דיסציפלינות). כמו כן, ישנם כמה תחומים הקשורים לשתי דיסציפלינות או יותר, כמו גם תחומים בעלי דרגת התמחות גבוהה יותר.

• 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 ואינטרקציות 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 ושיטטית 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.

[עריכה] ראו גם

• Chemistry World
• האגודה האמריקנית לכימיה
• החברה המלכותית
• נושאים בכימיה
• כימאים

[עריכה] לקריאה נוספת

[עריכה] מדע פופולרי

[עריכה] כימיה למתחילים

[עריכה] כימיה למתקדמים

[עריכה] קישורים חיצוניים

מיזמי קרן ויקימדיה
ערך מילוני בוויקימילון: כימיה
ספר לימוד בוויקיספר: כימיה לבגרות
טקסט בוויקיטקסט: כימיה
תמונות ומדיה בוויקישיתוף: כימיה

• כימיה ותעשייה כימית בשירות האדם
• מקור מידע על חומרים שונים
• האיגוד הבינלאומי לכימיה טהורה ויישומית
• רשימת קישורים חיצוניים בנושא כימיה בוויקיפדיה באנגלית