شیمی چیست؟

شیمی یکی از شاخه‌های علم است. علم فرآیندی است که طی آن ما با مشاهده، آزمایش و سپس تولید مدل‌هایی که مشاهدات ما را توضیح می‌دهند، در مورد جهان طبیعی می‌آموزیم. از آنجایی که جهان فیزیکی بسیار وسیع است، شاخه‌های مختلفی از علم وجود دارد.

شیمی علم مطالعه ماده است. “ماده از چه چیزی تشکیل شده است؟، چه ویژگی‌هایی دارد؟ و چگونه تغییر می‌کند؟” علم شیمی به این سوالات پاسخ می‌دهد. هر چیزی که جرم دارد و فضا اشغال می‌کند ماده است (هر چیزی که از نظر فیزیکی واقعی است).

برخی چیزها به راحتی به عنوان ماده قابل تشخیص هستند. مثلاً گوشی موبایلی که در دست دارید. ولی برخی از مواد چندان واضح و قابل تشخیص نیستند. به عنوان مثال، ما به راحتی در میان هوا حرکت می‌کنیم و گاهی فراموش می‌کنیم که هوا نیز ماده است. به‌عنوان مثال اینکه مواد تشکیل دهنده یک کیک را توصیف کنید و یا اینکه وقتی کیک پخته می‌شود چه تغییراتی در آن رخ می‌دهد، مربوط به شیمی است! لذا می‌توان گفت علم شیمی تقریباً در همه حوزه‌ها دخیل است.

بنابراین، شیمی مطالعه ماده، زیست شناسی مطالعه موجودات زنده، و زمین شناسی مطالعه سنگ‌ها و زمین است. ریاضیات زبان علم است و ما از آن برای انتقال برخی از ایده‌های شیمی استفاده خواهیم کرد.

اگرچه ما علم را به حوزه‌های مختلف تقسیم می‌کنیم، اما همپوشانی زیادی بین آنها وجود دارد. به عنوان مثال برخی از زیست شناسان و شیمیدانان در هر دو زمینه‌ی زیست و شیمی مطالعاتی انجام می‌دهند. به چنین مطالعاتی بیوشیمی گفته می‌شود. به طور مشابه، زمین شناسی و شیمی در رشته‌ای به نام ژئوشیمی همپوشانی دارند. شکل زیر علوم مختلف مرتبط به هم را نشان می‌دهد. در برخی از سطوح، همه این زمینه‌های علمی به ماده بستگی دارند، به عبارتی شامل “مواد” هستند. به همین دلیل، شیمی را “علم مرکزی” نامیده‌اند که همه این رشته‌های علمی را به هم پیوند می‌دهد.

گرایش‌های شیمی:

مطالعات شیمی مدرن شاخه‌های زیادی دارد، اما به طور کلی می‌توان آن را به پنج گرایش یا حوزه اصلی تقسیم کرد:

شیمی فیزیک: شیمی فیزیک مطالعه خواص ماکروسکوپی، خواص اتمی و پدیده‌های سیستم‌های شیمیایی است. یک شیمی‌فیزیکدان به مطالعه سرعت واکنش‌های شیمیایی، انتقال انرژی که در واکنش‌ها رخ می‌دهد یا ساختار فیزیکی مواد در سطح مولکولی می‌پردازد.

شیمی آلی: شیمی آلی مطالعه مواد شیمیایی حاوی کربن است. کربن یکی از فراوان‌ترین عناصر روی زمین است و در ساختار تعداد بسیار زیادی از مواد شیمیایی (بیش از بیست میلیون تاکنون) وجود دارد. بیشتر مواد شیمیایی موجود در همه موجودات زنده بر پایه کربن هستند.

شیمی معدنی: شیمی معدنی مطالعه مواد شیمیایی است که به طور کلی، بر اساس کربن نیستند. مواد شیمیایی غیرآلی که معمولاً در سنگ‌ها و کانی‌ها یافت می‌شوند. یکی از حوزه‌های مهم کنونی شیمی معدنی به طراحی و خواص مواد درگیر در انرژی و فناوری اطلاعات می‌پردازد.

شیمی تجزیه: شیمی تجزیه به مطالعه ترکیبات تشکیل دهنده ماده می‌پردازد و بر جداسازی، شناسایی و تعیین کَمیت مواد شیمیایی در نمونه‌های ماده تمرکز دارد. یک شیمیدان تجزیه‌ای از ابزارهای پیچیده برای تجزیه و تحلیل یک ماده ناشناخته به منظور تعیین اجزای مختلف آن استفاده می‌کند.

بیوشیمی: بیوشیمی مطالعه فرآیندهای شیمیایی است که در موجودات زنده رخ می‌دهد.

در عمل، تحقیقات شیمیایی تنها به یکی از پنج گرایش اصلی محدود نمی‌شود. یک شیمیدان ممکن است از بیوشیمی برای جداسازی یک ماده شیمیایی خاص که در بدن انسان یافت می‌شود مانند هموگلوبین (جزء حامل اکسیژن گلبول های قرمز خون) استفاده کند. سپس ممکن است با استفاده از روش‌هایی که مربوط به حوزه‌های شیمی فیزیکی یا تجزیه‌ای است، به تجزیه و تحلیل هموگلوبین بپردازد. بسیاری از شیمیدانان در زمینه‌هایی تخصص دارند که ترکیبی از رشته‌های اصلی هستند، مانند شیمی آلی زیستی یا شیمی فیزیک آلی.

تاریخچه علم شیمی:

تاریخ علم شیمی یک تاریخ جالب و چالش برانگیز است. انگیزه نخستین شیمیدانان اغلب برای دستیابی به یک هدف یا محصول خاص بود. ساخت عطر یا صابون نیاز به تئوری خاصی نداشت، فقط یک دستورکار صحیح و توجه دقیق به جزئیات کافی بود. هیچ روش استانداردی برای نامگذاری مواد شیمیایی وجود نداشت و همچنین هیچ جدول تناوبی که همه ما بتوانیم روی آن توافق داشته باشیم. با این حال، علم در طول قرن‌ها با آزمون و خطا توسعه یافت.

رابرت بویل (1691-1637) تحقیقات خود را در زمینه شیمی آغاز کرد و ایده‌های اساسی در مورد رفتار گازها ارائه کرد. سپس توانست رفتار گازها را به صورت ریاضی توصیف کند. بویل همچنین به شکل‌گیری این ایده کمک کرد که ذرات کوچک می‌توانند برای تشکیل مولکول‌ها با یکدیگر ترکیب شوند. سال‌ها بعد، جان دالتون از این ایده برای توسعه نظریه اتمی استفاده کرد.

در سال 1700 رشته شیمی به سرعت شروع به توسعه و پیشرفت کرد. جوزف پریستلی (1804-1733) چندین گاز را جداسازی و شناسایی کرد: اکسیژن، کربن مونوکسید و نیتروژن اکسید. بعدها مشخص شد که نیتروژن اکسید (“گاز خنده‌آور”) به عنوان بی‌حس کننده عمل می‌کند. این گاز برای اولین بار در سال 1844 در حین کشیدن دندان مورد استفاده قرار گرفت. گازهای دیگری که در آن زمان کشف شد، کلر توسط کارل ویلهلم شیله (1786-1742) و نیتروژن توسط آنتونی لاووازیه (1794-1743) بود. لاووازیه توسط بسیاری از محققان به عنوان “پدر علم شیمی” شناخته شده است. از جمله دستاوردهای دیگر لاووازیه، کشف نقش اکسیژن در احتراق و همچنین تدوین قانون بقای ماده است.

شیمیدانان در دهه 1800 به کشف ترکیبات جدید ادامه دادند. جان دالتون (1844-1766) نظریه اتمی خود را در سال 1807 مطرح کرد. این ایده به دانشمندان اجازه داد تا در مورد شیمی به روشی بسیار سیستماتیک فکر کنند. آمادئو آووگادرو (1856-1776) با محاسبه تعداد ذرات در مقدار معینی از یک گاز، زمینه را برای رویکرد کمّی در علم شیمی فراهم کرد. تلاش‌های زیادی برای مطالعه واکنش‌های شیمیایی انجام شد. این تلاش‌ها منجر به تولید مواد جدید شد. پس از اختراع باتری توسط آلساندرو ولتا (1827-1745)، شاخه الکتروشیمی نیز (هم نظری و هم کاربردی) با مشارکت هامفری دیوی (1829-1778) و مایکل فارادی (1867-1791) توسعه یافت.

برای توصیف تحولات شیمی در قرن بیستم و تا به امروز، نیاز به یک کتاب حجیم است. یکی از پیشرفت‌های قابل توجه، در زمینه فرآیندهای زنده بود. از جمله این موارد می‌توان به پژوهش درباره فتوسنتز گیاهان، کشف و شناسایی آنزیم‌ها به عنوان کاتالیزورهای بیوشیمیایی، تعیین ساختارهای مولکول‌های زیستی مثل انسولین و DNA اشاره کرد. این مطالعات منجر به انفجار اطلاعات در حوزه بیوشیمی شد.

البته در طی این دوران، جنبه‌های عملی و تجربی شیمی نادیده گرفته نشده بود. تحقیقات ولتا، دیوی و فارادی در نهایت منجر به توسعه باتری‌هایی شد که منبع برق برای تامین انرژی برخی از دستگاه‌ها را فراهم می‌کردند.

چارلز گودیر (1860-1800) فرآیند ولکانیزاسیون را کشف کرد، که نتیجه آن تولید محصولات لاستیکی مقاوم است که امروزه به‌عنوان لاستیک تمام وسایل نقلیه استفاده می‌شود. آلفرد نوبل (1896-1833) دینامیت را اختراع کرد. پس از مرگ او، ثروتی که از این محصول به دست آورد، صرف بودجه جوایز نوبل شد. جان وسلی هایت (1920-1837) اولین پلاستیک را توسعه داد و لئو باکلند (1944-1863) اولین رزین مصنوعی را تولید کرد که به طور گسترده برای ظروف غذاخوری استفاده می‌شد.

امروزه، علم شیمی همچنان برای توسعه مواد و فن‌آوری‌های جدید، از نیمه رساناها برای رشته الکترونیک گرفته تا داروهای قدرتمند جدید و فراتر از این‌ها، ضروری است. شیمیدانان، جهان ماکروسکوپی (جهانی که ما قادر به دیدن آن‌ها هستیم) را برای درک دنیای زیر میکروسکوپی(که ما نمی‌توانیم ببینیم) یعنی قلمرو اتم‌ها و ترکیبات بررسی می‌کنند.

جمع‌بندی:

شیمی به مطالعه مواد و تغییرات آن می‌پردازد. ماده هر چیزی است که جرم دارد و فضا را اشغال می‌کند. پنج گرایش اصلی آن عبارتند از شیمی فیزیک، شیمی آلی، شیمی معدنی، شیمی تجزیه و بیوشیمی. بسیاری از تمدن‌ها به رشد شیمی کمک کردند. بسیاری از تحقیقات شیمیایی اولیه بر روی کاربردهای عملی تمرکز داشتند. نظریه‌های اساسی شیمی در طول قرن نوزدهم توسعه یافتند.

لطفاً نظر ارزشمند خود را درباره این مقاله در بخش دیدگاه بنویسید.