化学

化学は、物質の性質と振る舞いに関する科学的研究です。^[1]原子、分子、イオンで構成される化合物に物質を構成する要素をカバーする自然科学です。それらの構成、構造、特性、挙動、および他の物質との反応中にそれらが受ける変化. ^{[2] [3] [4] [5]}

化学者の油絵（ アナ・カンスキー、1932年にヘンリーカ・サンテルが描いた ）

その主題の範囲では、化学は物理学と生物学の中間の位置を占めています。^[6]基礎科学と応用科学の両方を基礎レベルで理解するための基礎を提供するため、セントラルサイエンスと呼ばれることもあります。^[7]たとえば、化学は、植物化学の側面 (植物学)、火成岩の形成 (地質学)、大気オゾンの形成方法と環境汚染物質の分解方法 (生態学)、月面の土壌の特性 (宇宙化学) の側面を説明しています。)、薬がどのように機能するか (薬学)、犯罪現場でDNA の証拠を収集する方法(法医学)。

化学は、原子と分子が化学結合を介してどのように相互作用して新しい化学化合物を形成するかなどのトピックを扱います。化学結合には 2 つのタイプがあります。1. 一次化学結合、たとえば、原子が 1 つ以上の電子を共有する共有結合。イオン結合。原子が 1 つまたは複数の電子を別の原子に供与して、イオン(陽イオンと陰イオン)を生成します。金属結合および 2. 二次化学結合、例えば水素結合。ファンデルワールス力結合、イオン-イオン相互作用、イオン-双極子相互作用など

単語化学はワードの変更から来る錬金術、化学の要素に包含慣行の以前のセットと呼ば冶金、哲学、占星術、天文学、神秘主義や薬を。錬金術は、鉛やその他の卑金属を金に変えるという探求に関連していると見なされることがよくありますが、錬金術師は現代化学の多くの問題にも関心を持っていました。^[8]

現代の錬金術という言葉は、アラビア語のal-k<0xC4>k<0xC4>k ( (ل (ك<0xDB>ل<0xDB><0x8C>مم<0xDB><0x8C><0x8C><0xAB><0xAB><0xAB>) に由来しています。これは持っていることがあり、エジプト以来の起源アルkīmīāが語由来順番にあるギリシャχημίαから誘導され、ケメットエジプト語でエジプトの古代の名前です。^[9]別の方法として、al-kk<0xC4>mmm<0xAB>m<0xC4><0xAB><0xAB>āāāχは、「一緒に投げる」を意味するχημεεεp籠αから派生する場合があります。^[10]

現在の原子構造モデルは、量子力学モデルです。^[11]従来の化学は、素粒子、原子、分子、^[12] 物質、金属、結晶、その他の物質の集合体の研究から始まります。物質は、固体、液体、気体、およびプラズマの状態で、単独で、または組み合わせて研究できます。相互作用は、反応化学に研究されており、変換は一緒に原子を保持する化学結合の再配列をもたらす、通常の原子間の相互作用の結果です。このような行動は、化学実験室で研究されています。

化学実験室では、典型的にさまざまな形の実験用ガラス器具を使用しています。ただし、ガラス製品は化学の中心ではなく、多くの実験的 (および応用/工業用) 化学はガラス製品なしで行われます。

化学反応は、一つ以上の異なる物質に一部の物質の変換です。^[13]このような化学変換の基礎は、原子間の化学結合における電子の再配列です。それは化学反応式によって象徴的に表すことができ、通常は原子が対象となります。化学変換式の左右の原子数は等しい。(いずれかの側の原子数が等しくない場合、その変換は核反応または放射性崩壊と呼ばれます。) 物質が受ける可能性のある化学反応のタイプと、それに伴うエネルギー変化は、特定の基本的な規則によって制約されます。化学法則として知られています。

エネルギーとエントロピーの考慮事項は、ほぼすべての化学研究において常に重要です。化学物質は、その構造、相、および化学組成の観点から分類されます。それらは、分光法やクロマトグラフィーなどの化学分析ツールを使用して分析できます。化学研究に従事科学者たちは次のように知られている化学者。^[14]ほとんどの化学者は、1 つまたは複数のサブ分野を専門としています。化学の研究にはいくつかの概念が不可欠です。それらのいくつかは次のとおりです。^[15]

案件

化学では、物質は静止質量と体積を持ち(空間を占有する)、粒子で構成されているものとして定義されます。物質を構成する粒子にも静止質量があります –光子のように、すべての粒子が静止質量を持っているわけではありません。物質は、純粋な化学物質または物質の混合物です。^[16]

原子

ボーア模型に基づく原子の図

原子は化学の基本単位です。それは、電子雲が占める空間に囲まれた原子核と呼ばれる高密度のコアで構成されています。核は正に荷電した陽子と荷電していない中性子(まとめて核子と呼ばれます) で構成されていますが、電子雲は核の周りを回る負に荷電した電子で構成されています。中性原子では、負に帯電した電子が陽子の正電荷と釣り合っています。核は密集しています。核子の質量は電子の約 1,836 倍ですが、原子の半径はその核の約 10,000 倍です。^{[17] [18]}

原子は、電気陰性度、イオン化ポテンシャル、好ましい酸化状態、配位数、および形成する結合の好ましいタイプ (たとえば、金属、イオン化など) などの元素の化学的性質を保持すると想定できる最小の実体でもあります。、共有）。

素子

化学元素周期表の標準形 。色は要素のさまざまなカテゴリを表します

化学元素は、単一の種類の原子で構成される純粋な物質であり、その原子の核にある特定の数の陽子によって特徴付けられ、原子番号と呼ばれ、記号Z で表されます。質量数は、核内の陽子と中性子の数の合計です。1 つの元素に属するすべての原子のすべての原子核は同じ原子番号を持ちますが、それらは必ずしも同じ質量数を持つとは限りません。質量数の異なる元素の原子は、同位体と呼ばれます。たとえば、核に陽子が 6 個ある原子はすべて、炭素という化学元素の原子ですが、炭素原子の質量数は 12 または 13 です。^[18]

化学元素の標準的な表示は、元素を原子番号順に並べた周期表にあります。周期表は、グループ、または列、および周期、または行に配置されます。周期表は周期的な傾向を識別するのに役立ちます。^[19]

コンパウンド

化合物の一例である二酸化炭素（CO ₂）

化合物が複数の要素からなる純粋な化学物質です。化合物の特性は、その元素の特性とほとんど類似していません。^[20]化合物の標準命名法は、国際純正応用化学連合(IUPAC)によって設定されています。有機化合物は、有機命名法に従って命名されています。^[21]無機化合物の名前は、無機命名体系に従って作成されます。化合物に複数の成分がある場合、それらは電気陽性成分と電気陰性成分の 2 つのクラスに分けられます。^[22]さらに、Chemical Abstracts Serviceは、化学物質を索引付けする方法を考案しました。このスキームでは、各化学物質は、そのCAS 登録番号として知られる番号によって識別できます。

分子

カフェイン分子 (C ₈ H ₁₀ N ₄ O ₂ )のボールとスティックの表現 。

分子が純粋の最小不可分の一部である化学物質である化学的性質の独自のセットを有し、その電位は、他の物質との化学反応の特定のセットを受けます。ただし、この定義は分子で構成される物質にのみ有効であり、多くの物質には当てはまりません (以下を参照)。分子は通常、共有結合によって結合された一連の原子であり、その構造は電気的に中性であり、すべての価電子は結合または孤立電子対のいずれかで他の電子と対になっています。

このように、分子はイオンとは異なり、電気的に中性な単位として存在します。この規則が破られ、「分子」に電荷が与えられると、その結果は分子イオンまたは多原子イオンと呼ばれることがあります。ただし、分子の概念の離散的かつ分離的な性質は、通常、分子イオンが質量分析計の真空中の指向性ビームなど、十分に分離された形でのみ存在することを必要とします。固体中に存在する荷電多原子コレクション (たとえば、一般的な硫酸イオンや硝酸イオン) は、一般に化学では「分子」とは見なされません。一部の分子には 1 つ以上の不対電子が含まれており、ラジカルを生成します。ほとんどのラジカルは比較的反応性がありますが、一酸化窒素 (NO) などの一部は安定しています。

2-D の構造式の ベンゼン分子（C ₆ H ₆）

「不活性」または希ガス元素(ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、およびラドン) は、最小の離散単位として孤立原子で構成されていますが、他の孤立した化学要素は、互いに結合した分子または原子のネットワークで構成されています。何らかの方法で。識別可能な分子は、水、空気、アルコール、砂糖、ガソリン、さまざまな医薬品などの多くの有機化合物などの身近な物質を構成しています。

ただし、すべての物質や化学化合物が個別の分子で構成されているわけではなく、実際、地球の地殻、マントル、コアを構成する固体物質のほとんどは、分子を持たない化合物です。イオン化合物やネットワーク固体などの他のタイプの物質は、識別可能な分子自体が存在しないように組織化されています。代わりに、これらの物質は、物質内の最小の繰り返し構造として式単位または単位セルの観点から説明されます。このような物質の例としては、鉱物塩 (食塩など)、炭素やダイヤモンドなどの固体、金属、よく知られたシリカや石英や花崗岩などのケイ酸塩鉱物があります。

分子の主な特徴の 1 つは、しばしばその構造と呼ばれる形状です。二原子、三原子、四原子分子の構造は取るに足らないものかもしれませんが (線形、角錐など)、6 個以上の原子 (いくつかの元素の) で構成される多原子分子の構造は、その化学的性質にとって重要な場合があります。 .

物質と混合物

純化学物質の例 要素：左から右へ、スズ（SN）および硫黄（S）、ダイヤモンド（同素体の炭素）、スクロース（純粋な砂糖）、および塩化ナトリウム（塩）と重炭酸ナトリウムの両方のイオン性化合物である（ベーキングソーダ）、 .

化学物質は、特定の組成と一連の性質を持つ一種の物質です。^[23]物質の集まりは混合物と呼ばれます。混合物の例は、空気と合金です。^[24]

モルと物質量

モルとは、物質の量（化学量ともいう）を表す単位です。1 モルは正確に含むと定義6.022 140 76 × 10 ²³粒子 (原子、分子、イオン、または電子) 。1 モルあたりの粒子数は、アボガドロ定数として知られています。^[25] モル濃度は、溶液の体積あたりの特定の物質の量であり、一般にモル/ dm ^{3 で}報告されます。^[26]

段階

フェーズ間の関係とフェーズの変化を説明するために使用される用語を示す図。

異なる化学分類を区別する特定の化学的性質に加えて、化学物質はいくつかの段階で存在する可能性があります。ほとんどの場合、化学分類はこれらのバルク相分類から独立しています。ただし、いくつかのよりエキゾチックな相は、特定の化学的性質と互換性がありません。相が等の条件の範囲にわたって、同様のバルク構造特性を有する化学的システムの状態の集合であり、圧力または温度。

密度や屈折率などの物理的特性は、相の特性値に入る傾向があります。物質の相は、相転移によって定義されます。これは、システムに入れられたりシステムから取り出されたエネルギーが、バルク条件を変更する代わりに、システムの構造を再編成するときです。

場合によっては、相間の区別が離散的な境界を持つ代わりに連続的である場合があります.この場合、問題は超臨界状態にあると見なされます。条件に基づいて 3 つの状態が満たされる場合、それは三重点として知られており、これは不変であるため、一連の条件を定義するのに便利な方法です。

相の最も一般的な例は、固体、液体、および気体です。多くの物質は複数の固相を示します。たとえば、温度と圧力に基づいて変化する固体鉄(アルファ、ガンマ、デルタ) の3 つの相があります。固相間の主な違いは、原子の結晶構造または配列です。一般化学の研究において遭遇する別の相である水相中に溶解した物質の状態であり、水溶液（水であること）。

あまり馴染みの相を含むプラズマ、ボーズ-アインシュタイン凝縮とフェルミ凝縮及び常磁性と強磁性の相の磁性材料。最もよく知られたフェーズは 3 次元システムを扱いますが、生物学のシステムとの関連性で注目されている 2 次元システムで類似体を定義することもできます。

ボンディング

間のイオン結合のプロセスのアニメーション ナトリウム（NA）及び 塩素（Cl）が形成した 塩化ナトリウム、または共通テーブル塩。イオン結合には、1 つの原子が別の原子から価電子を受け取ることが含まれます (共有結合で発生する共有とは対照的です)。

分子や結晶の中で互いにくっついている原子は、互いに結合しているといいます。化学結合は、核内の正電荷とその周りで振動している負電荷との間の多重極平衡として視覚化することができます。^[27]単純な引力と re,力以上に、エネルギーと分布は、電子が別の原子に結合できるかどうかを特徴づけます。

化学結合は、共有結合、イオン結合、水素結合、またはファン デル ワールス力による結合です。これらの種類の結合はそれぞれ、何らかの可能性に起因しています。これらのポテンシャルは、分子または結晶内の原子を一緒に保持する相互作用を作成します。多くの単純な化合物では、原子価結合理論、原子価殻電子対反発モデル ( VSEPR )、および酸化数の概念を使用して、分子構造と組成を説明できます。

金属がその電子の 1 つ以上を失うとイオン結合が形成され、正に帯電した陽イオンになり、その電子が非金属原子によって獲得されて負に帯電した陰イオンになります。反対に帯電した 2 つのイオンは互いに引き合い、イオン結合はそれらの間の静電引力です。たとえば、金属であるナトリウム(Na) は電子を 1 つ失って Na ⁺陽イオンになり、非金属である塩素(Cl) はこの電子を受け取って Cl ^-になります。静電引力によってイオンが結合し、その化合物である塩化ナトリウム(NaCl) または一般的な食卓塩が形成されます。

メタン分子（CH ₄）、炭素原子を共有する4個の水素原子のそれぞれと価電子の対。したがって、C 原子 (価電子殻に 8 つの電子がある) についてはオクテット則が満たされ、H 原子 (価電子殻に 2 つの電子がある) についてはデュエット規則が満たされます。

共有結合では、価電子の1 つまたは複数のペアが2 つの原子によって共有されます。結合した原子の結果として生じる電気的に中性のグループは、分子と呼ばれます。原子は、各原子に対して希ガス電子配置 (最外殻に 8 個の電子)を作成するような方法で価電子を共有します。それぞれの原子価殻に 8 個の電子を持つように結合する傾向がある原子は、オクテット則に従うと言われています。ただし、水素やリチウムなどの一部の元素は、この安定した配置を実現するために最外殻に 2 つの電子だけを必要とします。これらの原子はデュエット ルールに従うと言われ、このようにして、外殻に 2 つの電子を持つ希ガスヘリウム の電子配置に到達しています。

同様に、古典物理学の理論を使用して、多くのイオン構造を予測できます。金属錯体などのより複雑な化合物では、原子価結合理論はあまり適用されず、分子軌道理論などの代替アプローチが一般的に使用されます。電子軌道の図を参照してください。

エネルギー

化学の文脈では、エネルギーは、原子、分子、または集合体構造の結果としての物質の属性です。化学変換は、構造のこれらの種類の一つ以上の変化を伴うので、必ずを伴う増加または減少のエネルギー関与物質。一部のエネルギーは、熱または光の形で周囲と反応反応物との間で移動します。したがって、反応の生成物は、反応物よりも多いまたは少ないエネルギーを持っている可能性があります。

最終状態がエネルギー スケールで初期状態よりも低い場合、反応は発エルゴン的であると言われます。吸エルゴン反応の場合、状況は逆です。反応が周囲に熱を放出する場合、反応は発熱であると言われています。以下の場合には吸熱反応、反応吸収するが周囲から加熱します。

反応物が活性化エネルギーとして知られるエネルギー障壁を超えない限り、化学反応は常に不可能です。(与えられた温度 T での) 化学反応の速度は、ボルツマンの人口因子によって、活性化エネルギー E に関連しています。${\displaystyle e^{-E/kT}}$– これは、指定された温度 T で分子が E 以上のエネルギーを持つ確率です。温度に対する反応速度のこの指数関数的依存性は、アレニウスの式として知られています。化学反応が発生するために必要な活性化エネルギーは、熱、光、電気、または超音波の形で機械的な力の形をとることができます。^[28]

関連する概念の自由エネルギーは、エントロピーの考慮も組み込まれており、化学熱力学において、反応の実現可能性を予測し、化学反応の平衡状態を決定するための非常に有用な手段です。反応は、ギブスの自由エネルギーの総変化が負の場合にのみ実行可能です。${\displaystyle \Delta G\leq 0\,}$; それがゼロに等しい場合、化学反応は平衡状態にあると言われています。

電子、原子、分子には、限られた可能なエネルギー状態しか存在しません。これらは、束縛システムのエネルギーの量子化を必要とする量子力学の規則によって決定されます。より高いエネルギー状態にある原子/分子は、励起されていると言われています。励起エネルギー状態にある物質の分子/原子は、多くの場合、はるかに反応性が高くなります。つまり、化学反応を起こしやすくなります。

物質の相は、常にそのエネルギーと周囲のエネルギーによって決まります。ときに分子間力の物質が周囲のエネルギーは、それらを克服するのに十分でないようなものである水と同様に、それは、液体または固体のようなより規則相で起こる（H ₂ O）。分子が水素結合で結合しているため、室温では液体です。^[29]一方、硫化水素（H ₂の分子が弱いによって結合されるS）は、室温および標準圧力で気体であり、双極子-双極子相互作用。

ある化学物質から別の化学物質へのエネルギーの移動は、ある物質から放出されるエネルギー量子の大きさに依存します。ただし、物質内の振動および回転エネルギー レベルに関与するフォノンのエネルギーは、電子エネルギー移動のために呼び出される光子よりもはるかに少ないため、熱エネルギーはほとんどの物質から別の物質へより簡単に移動することがよくあります。したがって、振動エネルギー レベルと回転エネルギー レベルは、電子エネルギー レベルよりも間隔が狭いため、光または他の形態の電子エネルギーと比較して、物質間で熱が容易に伝達されます。たとえば、紫外線電磁放射は、熱または電気エネルギーほど効率的に物質から別の物質に移動することはありません。

異なる化学物質の特徴的なエネルギー レベルの存在は、スペクトル線の分析によるそれらの識別に役立ちます。化学分光法では、さまざまな種類のスペクトルがよく使用されます。たとえば、IR、マイクロ波、NMR、ESRなどです。また、分光法は、放射スペクトルを分析することにより、星や遠くの銀河などの遠隔オブジェクトの組成を特定するためにも使用されます。

鉄の発光スペクトル

化学エネルギーという用語は、化学物質が化学反応によって変化したり、他の化学物質を変化させたりする可能性を示すためによく使用されます。

反応

化学物質が他の物質やエネルギーとの相互作用の結果として変形するとき、化学反応が起こったと言います。化学反応は、混合物として、またはかどうかは、他に密着したときしたがって、物質の「反応」に関連した概念である溶液。何らかの形のエネルギーへの暴露、またはその両方。その結果、反応の構成要素と、設計された容器 (多くの場合、実験用ガラス製品)であるシステム環境との間でエネルギー交換が行われます。

化学反応は、分子の形成または解離、つまり、分子が分裂して 2 つ以上の分子を形成するか、または分子内または分子間で原子の再配列を引き起こす可能性があります。化学反応には、通常、化学結合の作成または切断が含まれます。酸化、還元、解離、酸塩基中和、分子再配列は、一般的に使用される種類の化学反応の一部です。

化学反応は、化学反応式によって象徴的に表すことができます。非核化学反応では、方程式の両辺の原子の数と種類は同じですが、核反応の場合、これは核粒子、つまり核粒子にのみ当てはまります。陽子と中性子。^[30]

化学反応の過程で化学結合の再編成が起こる可能性のある一連のステップは、そのメカニズムと呼ばれます。化学反応は、それぞれが異なる速度を持っているかもしれないいくつかの段階で起こると想像することができます。したがって、安定性が変化する多くの反応中間体が、反応の過程で想定されます。反応機構は、反応の速度論と相対的な生成物混合を説明するために提案されています。多くの物理化学者は、さまざまな化学反応のメカニズムの調査と提案を専門としています。ウッドワード・ホフマン規則のようないくつかの経験的規則は、化学反応のメカニズムを提案する際にしばしば役立ちます。

IUPACゴールド ブックによると、化学反応は「化学種の相互変換をもたらすプロセス」です。^[31]したがって、化学反応であってもよい素反応又は段階的反応。この定義には、配座異性体の相互変換が実験的に観察できる場合が含まれているという点で、追加の注意が必要です。このような検出可能な化学反応は、通常、この定義で示されるような分子実体のセットを伴いますが、単一の分子実体を伴う変化 (すなわち、「微視的化学事象」) にもこの用語を使用することが概念的に便利な場合がよくあります。

イオンと塩

塩化カリウム(KCl)の結晶格子構造、 K ⁺陽イオンと Cl ^-陰イオンの 引力によって形成される塩 。イオン化合物の全体的な電荷がゼロであることに注意してください。

イオンは、荷電種、紛失または1個の以上の電子を獲得している原子または分子です。原子が電子を失い、電子よりも多くの陽子を持っている場合、その原子は正に帯電したイオンまたは陽イオンです。原子が電子を受け取り、陽子よりも多くの電子を持っている場合、その原子は負に帯電したイオンまたは陰イオンです。陽イオンと陰イオンは、Na ⁺および Cl ^-イオンが塩化ナトリウムまたは NaCl を形成するなど、中性塩の結晶格子を形成することができます。例としては分子イオン中に分割していない、酸-塩基反応がある水酸化物（OH ^-など）、リン酸（PO ₄ ^3-）。

プラズマは、通常は高温によって完全にイオン化されたガス状の物質で構成されています。

酸性度と塩基性

臭化水素は気相中に二原子分子として存在

物質は、多くの場合、酸または塩基として分類できます。酸 - 塩基の挙動を説明するいくつかの異なる理論があります。最も単純なのがアレニウス理論で、酸は水に溶解するとヒドロニウムイオンを生成する物質であり、塩基は水に溶解すると水酸化物イオンを生成する物質であるとしています。ブレンステッド-ローリー酸-塩基理論によると、酸は化学反応で正の水素 イオンを別の物質に提供する物質です。ひいては、塩基はその水素イオンを受け取る物質です。

3 番目の一般的な理論は、新しい化学結合の形成に基づくルイス酸塩基理論です。ルイスの理論では、酸は結合形成の過程で他の物質から電子対を受け取ることができる物質であり、塩基は電子対を提供して新しい結合を形成することができる物質であると説明されています。この理論によると、交換される重要なものは電荷です。^[32]この概念の歴史で明らかなように、物質が酸または塩基として分類される他のいくつかの方法があります。^[33]

酸強度は通常、2 つの方法で測定されます。酸性度のアレニウスの定義に基づく1つの測定値は、負の対数スケールで表される、溶液中のヒドロニウムイオン濃度の測定値であるpHです。このように、pHが低い溶液はヒドロニウムイオン濃度が高く、より酸性であると言えます。ブレンステッド・ローリーの定義に基づくもう 1 つの測定値は、酸解離定数(K _a ) です。これは、酸のブレンステッド・ローリーの定義の下で、物質が酸として作用する相対的な能力を測定します。つまり、高い K _{a を}持つ物質は、低い K _a値を持つものよりも化学反応で水素イオンを提供する可能性が高くなります。

レドックス

レドックス（赤uction-牛idation）反応は全て含む化学反応の原子がそれら持った酸化状態は電子（減少）を獲得または電子（酸化）を失うことのいずれかによって変更します。他の物質を酸化する能力を持つ物質は、酸化性と呼ばれ、酸化剤、酸化剤または酸化剤として知られています。酸化剤は、他の物質から電子を奪います。同様に、他の物質を還元する能力を持つ物質は、還元剤と呼ばれ、還元剤、還元剤、または還元剤として知られています。

還元剤は電子を別の物質に移動させ、それ自体が酸化されます。また、電子を「供与」するため、電子供与体とも呼ばれます。酸化と還元は、正しくは酸化数の変化を指し、電子の実際の移動は決して起こらない可能性があります。したがって、酸化は酸化数の増加としてより適切に定義され、還元は酸化数の減少として定義されます。

平衡

平衡の概念は科学全体で広く使用されていますが、化学の文脈では、化学組成のさまざまな状態が可能なときはいつでも発生します。たとえば、互いに反応できるいくつかの化合物の混合物などです。または、物質が複数の種類の相に存在する可能性がある場合。

化学物質の平衡状態にあるシステムは、組成が変化していませんが、ほとんどの場合静的ではありません。物質の分子は互いに反応し続け、動的平衡を引き起こします。このように、概念は、化学組成などのパラメータが時間の経過とともに変化しない状態を表しています。

化学法

化学反応は、化学の基本概念となっている特定の法則によって支配されています。それらのいくつかは次のとおりです。

化学の歴史は、非常に古い時代から現代にまで及びます。紀元前数千年以来、文明は、最終的に化学のさまざまな分野の基礎を形成する技術を使用していました。例としては、鉱石からの金属の抽出、陶器や釉薬の製造、ビールやワインの発酵、薬や香水のための植物からの化学物質の抽出、脂肪の石鹸への変換、ガラスの製造、青銅のような合金の製造などがあります。化学は、その原始科学である錬金術に先行していました。錬金術は、物質の構成要素とその相互作用を理解するための直感的で非科学的なアプローチです。物質の性質とその変化を説明することはできませんでしたが、実験を行い、結果を記録することにより、錬金術師は現代化学の舞台を設定しました。錬金術とは異なる知識体系としての化学が出現し始めたのは、ロバート・ボイルが懐疑的化学者(1661) の著作で両者を明確に区別したときです。錬金術と化学の両方が物質とその変換に関係していますが、決定的な違いは、化学者が研究に採用した科学的方法によってもたらされました。化学は、の作業を確立し、科学になったと考えられるアントワーヌ・ラヴォアジエの法則開発、質量保存注意深い測定や化学現象の定量的観測を要求しました。化学の歴史は、特にウィラード・ギブスの研究を通じて、熱力学の歴史と絡み合っています。^[34]

定義

化学の定義は、新しい発見や理論が科学の機能に追加されるにつれて、時間の経過とともに変化してきました。「キミストリー」という用語は、1661 年の著名な科学者ロバート・ボイルの見解では、混合体の物質原理の主題を意味していました。^[35] 1663 年に、化学者クリストファー グレイザーは、「キミストリー」を科学的芸術として説明しました。より高い完成度。^[36]

Georg Ernst Stahlによって使用された「化学」という言葉の 1730 年の定義は、混合物、化合物、または集合体をそれらの原理に分解する技術を意味していました。そして、それらの原則からそのような団体を構成すること。^[37] 1837年、ジャン=バティスト・デュマは「化学」という言葉を、分子間力の法則と効果に関係する科学を指すと考えた. ^[38]この定義はさらに進化し、1947 年に物質の科学を意味するようになりました。その構造、特性、およびそれらを他の物質に変化させる反応 -ライナス・ポーリングによって受け入れられた特徴付け。^[39]より最近では、1998年にレイモンド・チャン教授が「化学」の定義を広げて、物質と物質が受ける変化の研究を意味した. ^[40]

しつけ

エジプト人^[41] バビロニア人やインディアン^[42]などの初期の文明は、冶金、陶器、染料の技術に関する実用的な知識を蓄積していましたが、体系的な理論は開発されていませんでした。

基本的な化学仮説が最初に登場したのは、古典ギリシャで、火、空気、土、水がすべての組み合わせとして形成される基本的な要素であるとアリストテレスが明確に提唱した4 つの要素の理論でした。ギリシャの原子論は紀元前 440 年にまで遡り、デモクリトスやエピクロスなどの哲学者の作品に現れました。紀元前 50 年、ローマの哲学者ルクレティウスは、彼の著書「De rerum natura (On The Nature of Things) 」の中でこの理論を拡張しました。^{[43] [44]}現代の科学の概念とは異なり、ギリシャの原子論は本質的に純粋に哲学的であり、経験的観察にはほとんど関心がなく、化学実験には関心がありませんでした。^[45]

質量保存の法則の初期の形態は、エンペドクレス(紀元前 4 世紀頃) に見られる古代ギリシア哲学の「無から生まれるものはない」という概念です。そして、あるものを完全に破壊しなければならないということは、もたらされたり、聞いたりすることはできません。」^[46]とエピクロス(紀元前 3 世紀) は、宇宙の性質を説明し、「物事の全体性は常に今も、そしてこれからも同じである」と書いています。^[47]

でヘレニズム世界錬金術の技術では、最初に要素を核変換の究極の目標と天然物質の研究に混入マジックとオカルト、増殖金と永遠のエリクサーを発見します。^[48]作業、特に蒸留の開発はビザンチン時代初期に続き、最も有名な実践者は 4 世紀のパノポリスのギリシア・エジプトのゾシモスでした。^[49]錬金術は全体で開発し、実施することを継続し、アラブ世界の後にイスラム教徒の征服、^[50] 、およびそこから、ビザンチン残党から^[51]中世と中に拡散ルネサンスラテン語の翻訳を通じてヨーロッパ。

現代の科学的方法の発展は遅く困難なものでしたが、化学の初期の科学的方法は初期のムスリムの化学者の間で現れ始め、9世紀のペルソ・アラブの化学者ジャービル・ブン・ハイヤン(一般に「化学の父」として知られている)から始まりました。彼に起因するアラビア語の著作は、化学物質の体系的な分類を導入し、化学的手段によって有機物質(植物、血液、毛髪など) から無機化合物 (塩化アンモン石または塩化アンモニウム)を導き出すための指示を提供しました。^[52]いくつかのアラビア語Jabirian作品（例えば、「慈悲のブック」、および「七十ブック」）は、後に下のラテン語に翻訳されましたLatinized名「ゲベル」、^[53]と13世紀のヨーロッパでの匿名ライター、通常は偽ゲベルと呼ばれ、この名前で錬金術および冶金の著作を作成し始めました。^[54]アブ・アル・レイハン・アル・ビールーニー^[55]やアヴィセンナ^[56]などの後の影響力のあるイスラム哲学者は、錬金術の理論、特に金属の核変換の理論に異議を唱えました。

フランシス ベーコン卿などによって提唱された新しい経験的方法の影響下で、オックスフォード、ロバート ボイル、ロバート フック、ジョン メイヨーの化学者グループは、古い錬金術の伝統を科学分野へと作り変え始めました。特にボイルは、彼の最も重要な仕事、つまり錬金術の主張と新しい化学の経験的科学的発見とを区別する懐疑的化学者の懐疑的化学者の最も重要な仕事により、化学の創始者と見なされています。^[57]彼はボイルの法則を定式化し、古典的な「四元素」を拒否し、厳密な実験の対象となる可能性のある原子と化学反応の機械的代替案を提案した. ^[58]

フロギストン(すべての燃焼の根底にある物質)の理論は、18 世紀初頭にドイツのゲオルク エルンスト シュタールによって提唱され、18 世紀の終わりにフランスの化学者アントワーヌ ラヴォワジエによって覆されました。物理; 彼は、質量保存の法則を解明し、今日まで使用されている新しい化学命名法を開発することにより、適切な理論的根拠に基づいて新しい科学を確立するために他の誰よりも尽力しました。^[60]

しかし、彼の仕事の前に、多くの重要な発見がなされていました.特に、多くの異なるガスで構成されていることが発見された「空気」の性質に関連しています. スコットランドの化学者ジョセフ・ブラック(最初の実験化学者) とフランダースのヤン・バプティスト・ファン・ヘルモントは、1754 年に二酸化炭素、またはブラックが「固定空気」と呼んだものを発見しました。ヘンリー・キャヴェンディッシュは水素を発見し、その性質を解明し、ジョセフ・プリーストリーと独立して、カール・ヴィルヘルム・シェーレは純粋な酸素を分離しました。

英国の科学者ジョン・ダルトンは、現代の原子理論を提案しました。すべての物質は物質の不可分な「原子」で構成されており、異なる原子にはさまざまな原子量があります。

化学的結合の電気化学理論の発展は、特に 2 人の科学者、Jöns Jacob BerzeliusとHumphry Davy の研究の結果として 19 世紀初頭に起こり、Alessandro Voltaによるボルタ電池の先行発明によって可能になりました。デービーは、電流を使って酸化物からアルカリ金属を抽出し、アルカリ金属を含む9つの新しい元素を発見しました。^[61]

ドミトリ・メンデレーエフは周期表 で 7 つの新しい元素の存在を予測し ^[62]、当時知られていた 60 の元素すべてを正しい場所に配置しました。 ^[63]

英国のウィリアム プラウトは、すべての原子が水素の原子量の正確な倍数である重量を持っているため、すべての元素を原子量で並べ替えることを最初に提案しました。JAR ニューランズは初期の元素周期表を考案し、1860 年代にドミトリ・メンデレーエフとユリウス・ロータル・マイヤーを含む他の科学者によって独立して、1860 年代に現代の元素周期表^[64]に発展しました。^{[65] [66]}後に希ガスと呼ばれる不活性ガスは、世紀の終わりにウィリアム・ラムゼーがレイリー卿と共同で発見したもので、これにより表の基本構造が埋められました。

上:期待される結果: 原子のプラム プリン モデルを乱されずに通過する アルファ粒子。 下:観察された結果: 粒子のごく一部が偏向しており、小さな電荷が集中していることを示し ています。

20 世紀の変わり目に、化学の理論的基盤は、原子の内部構造のまさにその性質を調査し発見することに成功した一連の驚くべき発見により、ついに理解されました。1897年、ケンブリッジ大学のジョゼフ・ジョン・トムソンが電子を発見し、その後すぐにフランスの科学者ベクレルとピエール・キュリーとマリー・キュリー夫妻が放射能の現象を調査しました。先駆的な散乱一連の実験でアーネスト・ラザフォードでマンチェスター大学は、分類原子の内部構造及びプロトンの存在を発見し、放射能の種類を説明し、正常核変換衝突することにより、第1の要素を、窒素を用いてアルファ粒子。

原子構造に関する彼の研究は、彼の学生であるデンマークの物理学者ニールス・ボーアとヘンリー・モーズリーによって改良されました。化学結合と分子軌道の電子理論は、アメリカの科学者ライナス ポーリングとギルバート N. ルイスによって開発されました。

2011 年は、国連によって世界化学年として宣言されました。^[67]これは、国際純正応用化学連合、および国際連合教育科学文化機関のイニシアチブであり、世界中の化学社会、学術、および機関が関与し、地元および地域の活動を組織するための個々のイニシアチブに依存していました。 .

有機化学は、理論上、生物が化学に還元可能であることを証明したフリードリヒ・ヴェーラーの尿素合成に続いて、ユストゥス・フォン・リービッヒなどによって開発されました。^[68]他の重要な 19 世紀の進歩は次のとおりです。原子価結合の理解 ( 1852 年のエドワード フランクランド) と熱力学の化学への応用 ( 1870 年代のJW ギブスとスヴァンテ アレニウス)。

サブ分野

化学は通常、いくつかの主要なサブディシプリンに分けられます。また、化学のいくつかの主要な学際的でより専門的な分野もあります。^[69]

• 分析化学は、化学組成と構造を理解するための材料サンプルの分析です。分析化学には、化学における標準化された実験方法が組み込まれています。これらの方法は、純粋に理論化学を除いて、化学のすべての下位分野で使用できます。
• 生化学はの研究である化学薬品、化学反応や化学的な相互作用住んで行わ生物。生化学と有機化学は、医薬品化学や神経化学のように密接に関係しています。生化学は、分子生物学および遺伝学にも関連しています。
• 無機化学は、無機化合物の性質と反応の研究です。有機分野と無機分野の区別は絶対的なものではなく、多くの重複があります。最も重要なのは、有機金属化学のサブ分野です。
• 材料化学は、有用な機能を持つ物質の準備、特性評価、および理解です。この分野は、大学院プログラムにおける新たな研究の幅であり、化学のすべての古典的な分野からの要素を統合し、材料に固有の基本的な問題に焦点を当てています。主な研究システムには、凝縮相 (固体、液体、ポリマー)の化学および異なる相間の界面が含まれます。
• 神経化学は神経化学物質の研究です。伝達物質、ペプチド、タンパク質、脂質、糖、および核酸を含む。それらの相互作用、および神経系の形成、維持、および変更においてそれらが果たす役割。
• 核化学は、素粒子がどのように集まって核を作るかを研究する学問です。現代の核変換は核化学の大きな要素であり、核図表はこの分野の重要な結果とツールです。
• 有機化学は、有機化合物の構造、特性、組成、メカニズム、および反応の研究です。有機化合物は、炭素骨格に基づく任意の化合物として定義されます。
• 物理化学は、化学システムとプロセスの物理的および基本的な基礎の研究です。特に、そのようなシステムとプロセスのエネルギーとダイナミクスは、物理化学者にとって興味深いものです。重要な研究分野には、化学熱力学、化学反応速度論、電気化学、統計力学、分光法、そして最近では天体化学が含まれます。^[70]物理化学は分子物理学と大きく重複しています。物理化学では、方程式を導出する際に微積分学を使用します。それは通常、量子化学と理論化学に関連しています。物理化学は化学物理学とは異なる分野ですが、非常に強い重複があります。
• 理論化学は、基本的な理論的推論 (通常は数学または物理学)による化学の研究です。特に、量子力学の化学への応用は、量子化学と呼ばれます。第二次世界大戦の終結以来、コンピューターの開発により、計算化学の体系的な開発が可能になりました。これは、化学の問題を解決するためのコンピューター プログラムを開発および適用する技術です。理論化学は、物性物理学および分子物理学(理論および実験) と大きく重複しています。

化学内の他の分野は、伝統的に、研究対象の物質の種類または研究の種類によってグループ化されています。これらは、無機化学の研究無機の問題を、有機化学、有機（炭素系）物質の研究。生化学、生物生物に見られる物質の研究。物理化学、熱力学や量子力学などの物理概念を使用した化学プロセスの研究。そして分析化学、化学組成と構造を理解するための材料サンプルの分析。近年、神経化学、神経系の化学研究など、より多くの専門分野が出現しています(サブ分野を参照)。

他のフィールドには、農芸化学、astrochemistry（および宇宙化学）、大気化学、化学工学、化学、生物学、化学インフォマティクス、電気化学、環境化学、フェムト秒化学、風味化学、フロー化学、地球化学、グリーンケミストリー、組織化学、化学の歴史、水素化化学を、免疫化学、海洋化学、材料科学、数学、化学、メカノ、医薬品化学、分子生物学、分子力学、ナノテクノロジー、天然物化学、醸造学、有機金属化学、石油化学、薬理学、光化学、物理有機化学、植物化学、高分子化学、放射化学、固体化学、音響化学、超分子化学、表面化学、合成化学、熱化学、および多くの他。

業界

化学産業は重要な経済活動の全世界を表します。世界トップ50の化学プロデューサー2013年には売上高の持っていたUS $ 10.3％の利益率を持つ9805億を。^[71]

専門学会

• アトキンス、ピーター。デ パウラ、フリオ (2009) [1992]。物理化学の要素(第 5 版)。ニューヨーク：オックスフォード大学出版局。ISBN 978-0-19-922672-6.
• アンドリュー、バロウズ。ホルマン、ジョン; パーソンズ、アンドリュー。ピリング、グウェン。価格、ギャレス (2009)。化学^３．イタリア:オックスフォード大学出版局。ISBN 978-0-19-927789-6.
• ハウスクロフト、キャサリン E.; シャープ、アラン G. (2008) [2001]。無機化学(第 3 版)。ハーロウ、エセックス:ピアソン エデュケーション。ISBN 978-0-13-175553-6.

人気の読み物

• アトキンス、PWガリレオの指(オックスフォード大学出版局) ISBN  0-19-860941-8
• Atkins, PW Atkins' Molecules (ケンブリッジ大学出版局) ISBN  0-521-82397-8
• キーン、サム。The Disappearing Spoon – 周期表からの他の実話(Black Swan) ロンドン、2010年 ISBN  978-0-552-77750-6
• Levi, Primo The Periodic Table (Penguin Books) [1975] Raymond Rosenthal (1984) によるイタリア語からの翻訳 ISBN  978-0-14-139944-7
• Stwertka、A.要素のガイド(Oxford University Press) ISBN  0-19-515027-9
• 「思想史辞典」 . 2008年3月10日のオリジナルよりアーカイブ。
• 「化学」  . エンサイクロペディア・ブリタニカ。6 (第 11 版)。1911 年。33 ～ 76 ページ。

学部入門の教科書

• Atkins, PW, Overton, T., Rourke, J., Weller, M. and Armstrong, F. Shriver and Atkins 無機化学(第 4 版) 2006 (オックスフォード大学出版局) ISBN  0-19-926463-5
• チャン、レイモンド。化学第6版。ボストン: ジェームス M. スミス、1998 年。 ISBN  0-07-115221-0。
• クレイデン、ジョナサン。グリーブス、ニック。ウォーレン、スチュアート。ウォザース、ピーター(2001)。有機化学（第1版）。オックスフォード大学出版局。ISBN 978-0-19-850346-0.
• フートとフートの生化学(ワイリー) ISBN  0-471-58651-X

高度な学部レベルまたは大学院レベルの教科書

• Atkins, PW Physical Chemistry (Oxford University Press) ISBN  0-19-879285-9
• アトキンス、PW など。分子量子力学(オックスフォード大学出版局)
• McWeeny、R. Coulson's Valence (Oxford Science Publications) ISBN  0-19-855144-4
• ポーリング、L.化学結合の性質(コーネル大学出版局) ISBN  0-8014-0333-2
• Pauling、L.、および Wilson、EB化学への応用による量子力学の紹介(Dover Publications) ISBN  0-486-64871-0
• Smart and Moore Solid State Chemistry: はじめに(Chapman and Hall) ISBN  0-412-40040-5
• Stephenson, G.科学学生のための数学的方法(Longman) ISBN  0-582-44416-0

• 一般的な化学の原則、パターン、およびアプリケーション。