شيمي نظري

[M.A.H.S.A]

شيمي را مي‌توان به صورت علمي که با توصيف ويژگيها ، ترکيب و تبديلات ماده سروکار دارد، تعريف کرد. اما اين تعريف ، نارساست. اين تعريف ، بيانگر روح شيمي نيست. شيمي همچون ديگر علوم ، سازماني زنده و در حال رشد است، نه انباره‌اي از اطلاعات. علم ، خاصيت تکوين خودبخود دارد. ماهيت هر مفهوم تازه آن ، خود محرک مشاهده و آزمايشي جديد است که به بهبود بيش از پيش آن مفهوم و سرانجام به توسعه ديگر مفاهيم مي‌انجامد.
از آنجا که زمينه‌هاي علمي همپوشاني دارند، مرز متمايزي ميان آنها نمي‌توان يافت و در نتيجه مفاهيم و روشهاي علمي کاربرد همگاني پيدا مي‌کنند. در پرتو اين گونه رشد علمي ، ديگر تعجبي ندارد که يک پژوهش علمي معين ، بارها از مرزهاي مصنوعي و پرداخته ذهن بشر بگذرد.
تصوير
قلمرو شيمي مفهومي متعارف
علم شيمي با ترکيب و ساختار مواد و نيروهايي که اين ساختارها را بر پا نگه داشته است، سروکار دارد. خواص فيزيکي مواد از اين رو مورد مطالعه قرار مي‌گيرند که سرنخي از مشخصات ساختاري آنها را بدست مي‌دهند و به عنوان مبنايي براي تعيين هويت و طبقه‌بندي بکار مي‌روند و کاربردهاي ممکن هر ماده بخصوص را مشخص مي‌کنند. اما واکنشهاي شيميايي ، کانون علم شيمي هستند. توجه علم شيمي به هر گوشه قابل تصوري از اين تغيير و تبديلها کشيده مي‌شود و شامل ملاحظاتي است از اين قبيل:
* شرح تفصيلي درباره چگونگي واکنشهاي و سرعت پيشرفت آنها
* شرايط لازم براي فراهم کردن تغييرات مطلوب و جلوگيري از تغييرات نامطلوب
* تغييرات انرژي که با واکنشهاي شيميايي همراه است.
* سنتز موادي که در طبيعت صورت مي‌گيرد.
* سنتز موادي که مشابه طبيعي ندارند.
* روابط کمّي جرمي بين مواد در تغييرات شيميايي.
تصوير
پيدايش شيمي جديد
شيمي جديد که در اواخر سده هيجدهم ظاهر شده است، طي صدها سال ، توسعه يافته است. داستان توسعه شيمي را تقريبا به پنج دوره مي‌توان تقسيم کرد:
فنون عملي
اين فنون تا 600 سال قبل از ميلاد مسيح رايج بوده است. توليد فلز از کانه‌ها ، سفالگري ، تخمير ، پخت و پز ، تهيه رنگ و دارو فنوني باستاني است. شواهد باستان شناسي ثابت مي‌کند که ساکنان مصر باستان و بين‌النهرين در اين حرفه‌ها مهارت داشته‌اند. ولي چگونه و چه وقت اين حرفه‌ها براي نخستين بار پيدا شده‌اند، معلوم نيست.
در اين دوره ، فنون مذکور که در واقع فرايندهاي شيميايي هستند، توسعه بسيار يافته‌اند. اما اين توسعه و پيشرفت ، تجربي بوده است، بدين معني که مبناي آن تنها تجربه عملي بوده، بدون آنکه تکيه گاهي بر اصول شيميايي داشته باشد. فلزکاران مصري مي‌دانستند که چگونه از گرم کردن کانه مالاشيت با زغال ، مس بدست آورند، ولي نمي‌دانستند و در صدد دانستن آن هم نبودند که چرا اين فرايند موثر واقع مي‌شود و آنچه در آتش صورت مي‌گيرد، واقعا چيست؟
نظريه‌هاي يوناني
اين نظريه‌ها از 600 تا 300 سال قبل از ميلاد عنوان شدند. جنبه فلسفي يا جنبه نظري شيمي حدود 600 سال قبل از ميلاد در يونان باستان آغاز شد. اساس علم يوناني ، جستجوي اصولي بود که از طريق آن ادراکي از طبيعت حاصل شود. دو نظريه يوناني در سده‌هاي واپسين اهميت فراوان يافت:
* اين مفهوم که تمام مواد موجود در زمين ، ترکيبي از چهار عنصر (خاک ، باد ، آتش و آب) است، به نسبتهاي گوناگون ، از انديشه‌هاي فيلسوفان يوناني اين دوره نشات يافته است.
* اين نظريه که ماده از آحاد مجزا و جدا از همي به نام اتم ترکيب يافته است، بوسيله لوسيپوس پيشنهاد شد و دموکرتيس آن را در سده پنجم ق.م. توسعه داد.
نظريه افلاطون اين بود که اتمهاي يک عنصر از لحاظ شکل با اتمهاي عنصر ديگر تفاوت دارد. علاوه بر اين ، او باور داشت که اتم‌هاي يک عنصر مي‌توانند با تغيير شکل به اتمهايي از نوع ديگر تغيير يابند يا استحاله پيدا کنند. مفهوم استحاله در نظريه‌هاي ارسطو نيز منعکس است.
ارسطو (که به وجود اتمها معتقد نبود) مي‌گفت که عناصر و بنابراين تمام مواد از ماده اوليه يکساني ترکيب يافته‌اند و تفاوت آنها فقط از لحاظ صورتهايي است که اين ماده اوليه به خود مي‌گيرد. به نظر ارسطو ، صورت ماده نه تنها شکل ، بلکه کيفيتها (از لحاظ رنگ ، سختي و غيره) را نيز دربر مي‌گيرد و همين صورت است که ماده‌اي را از ماده ديگر متمايز مي‌کند. او مي‌گفت که تغيير صورت پيوسته در طبيعت صورت مي‌گيرد و تمام اشياي مادي (جاندار و بي جان) از صورتهاي نابالغ به صورتهاي بالغ رشد و تکامل مي‌يابند.
در سراسر قرون وسطي باور اين بود که کاني‌ها رشد مي‌کنند و هرگاه کانيها از معادن استخراج شوند، معادن بار ديگر از کانيها پر مي‌شوند.
تصوير
کيمياگري
کيمياگري از 300 سال قبل از ميلاد تا حدود 1650 ميلادي رايج بود. سنت فلسفي يونان باستان و تجارت صنعتگران مصر باستان در شهري که بوسيله اسکندر کبير در 331 ق.م. بنا شد يعني اسکندريه مصر ، با هم جمع شدند و حاصل آميزش آنها ، کيمياگري بود. کيمياگران اوليه براي ابداع نظريه‌هايي درباره ماهيت ماده از روشهاي مصري براي بکارگيري مواد استفاده مي‌کردند.
کيمياگران باور داشتند که يک فلز مي‌تواند با تغيير کيفيات (بويژه رنگ آن) تغيير پذيرد و چنين تغييراتي در طبيعت صورت مي‌گيرد. فلزات مي‌کوشند تا همچون طلا کامل شوند. همچنين آنها باور داشتند که اين گونه تغييرات ممکن است بوسيله مقدار بسيار اندکي از يک عامل استحاله کننده قوي (که بعدا سنگ فيلسوفان ناميده شد) ايجاد شود.
در سده هفتم ميلادي ، مسلمانان مراکز تمدن هلني (از جمله مصر در 640 ميلادي) را تسخير کردند و کيمياگري بدست آنها افتاد. در سده‌هاي دوازدهم و سيزدهم ، کيمياگري به تدريج به اروپا راه يافت و آثار عربي به لاتين برگردانده شد. کيمياگري تا سده هفدهم دوام يافت. در اين زمان نظريه‌ها و نگرشهاي کيمياگران بتدريج زير سوال قرار مي‌گرفت.
کار رابرت بويل که اثر معروف خود به نام شيميدان شکاک را در 1661 منتشر کرد، در اين باره ارزشمند است. گرچه بويل باور داشت که استحاله فلزات پست به طلا امکان‌پذير است، ولي او انديشه کيمياگري را مورد انتقاد شديد قرار داد. بويل باور داشت که نظريه شيميايي بايد حاصل شواهد تجربي باشد.
فلوژيستون
اين نظريه از 1650 تا 1790 ميلادي رواج داشت. تقريبا در سراسر سده هجدهم ، نظريه فلوژيستون نظريه‌اي مسلط در شيمي بود. اين نظريه که بعدها معلوم شد نظريه‌اي نادرست است، در اصل کار “گئورک ارنست اشتال” بود. فلوژيستون «اصل آتش» ، جز تشکيل دهنده ماده‌اي دانسته مي‌شد که متحمل سوختن مي‌شود. چنين پنداشته مي‌شد که يک جسم بر اثر سوختن ، فلوژيستون خود را از دست مي‌دهد و به صورت ساده‌تري کاهيده مي‌شود. باور اين بود که نقش هوا در عمل سوختن ، انتقال فلوژيستون آزاد شده است.
بنا به نظريه فلوژيستون چوب در اثر سوختن به خاکستر و فلوژيستون (که بوسيله هوا جدا مي‌شود)تبديل مي‌گردد. طبق نظريه فلوژيستون ، چوب ، ماده مرکبي است که از خاکستر و فلوژيستون ترکيب يافته است. همچنين در مورد عمل تکليس ، اين نظريه عنوان مي‌دارد که فلز ، ماده مرکبي است که از يک کالکس و فلوژستيون ترکيب يافته است.
در نظريه فلوژيستون ، ذاتا” مشکلي است که هرگز توضيح کافي درباره آن داده نشد. وقتي چوب مي‌سوزد، فرض بر اين است که فلوژيستون از دست مي‌دهد و نتيجه آن خاکستري است که وزن آن کمتر از قطعه چوب اصلي است. اما در عمل تکليس ، از دست رفتن فلوژيستون با افزايش وزن همراه است، چون کالکس يا اکسيد فلزي ، وزنش بيشتر از فلز اصلي است. طرفداران نظريه فلوژيستون اين مشکل را تشخيص داده بودند، ليکن تقريبا در سراسر سده هيجدهم ، اهميت توزين و اندازه گيري دانسته نشد.
تصوير
شيمي جديد
کار آنتوان لاوازيه در اواخر سده هيجدهم را معمولا آغاز شيمي جديد مي‌دانند. “لاوازيه” ،‌ با تعمق کافي ، دست‌اندرکار براندازي نظريه فلوژيستون شد و انقلابي در شيمي پديد آورد. او که ترازوي شيميايي بسيار استفاده مي‌کرد، با تکيه بر نتايج آزمايشهاي کمي ، به توضيح تعدادي از پديده‌هاي شيميايي دست يافت.
قانون پايستاري جرم مي‌گويد که در جريان يک واکنش شيميايي تغيير محسوسي در جرم صورت نمي‌گيرد. به گفته ديگر ، جرم کل تمام موادي که در واکنش شيميايي وارد مي‌شوند، برابر جرم تمام محصولات واکنش است. اين قانون ، توسط لاوازيه به وضوح بيان شد. براي لاوازيه نظريه فلوژيستون امري ناممکن بود.
اقداماتي که دانشمندان از سالهاي 1970 به بعد به عمل آورده‌اند، با استفاده از کتاب لاوازيه با عنوان « رساله‌اي مقدماتي درباره شيمي» که در سال 1789 منتشر شد، بيان شده است. آنچه در دو سده پس از لاوازيه درباره شيمي دانسته شده، بسيار بيشتر از بيست سده پيش از اوست. علم شيمي از آن زمان به بعد ، تدريجا در پنج شاخه اصلي بسط يافت. (البته اين تقسيمات اختياري است و به طبقه بندي آنها انتقادهايي وارد است.)
طبقه‌بندي شيمي
* شيمي آلي : شيمي ترکيبات کربن است.
* شيمي معدني : شيمي تمامي عناصر به جز کربن. البته بعضي از ترکيبات ساده کربن مانند کربناتها و بطور سنتي در زمره ترکيبات معدني طبقه بندي مي‌شوند، زيرا از منابع معدني بدست مي‌آيند.
* شيمي تجزيه : تشخيص اجزاي تشکيل دهنده مواد ، هم از لحاظ کيفي و هم از لحاظ کمي.
* شيمي فيزيک : مطالعه اصول فيزيکي که زمينه درک ساختار ماده و تبديلات شيميايي است.
* زيست شيمي : شيمي سيستمهاي زنده اعم از گياهي و حيواني.