كيمياء

في الكيمياء، تُعرَّف المادة بأنها أي شيء له كتلة سكون وحجم (يشغل حيزًا ) ويتكون من جسيمات . الجسيمات التي تُكوِّن المادة لها كتلة سكون أيضًا - ليس كل الجسيمات لها كتلة سكون، مثل الفوتون . يمكن أن تكون المادة مادة كيميائية نقية أو خليطًا من مواد. ^{[ 22 ]}

الذرة

الذرة هي الوحدة الأساسية في الكيمياء. تتكون من نواة كثيفة تُسمى النواة الذرية، محاطة بسحابة إلكترونية . تتكون النواة من بروتونات موجبة الشحنة ونيوترونات غير مشحونة (تُسمى معًا النيوكليونات )، بينما تتكون السحابة الإلكترونية من إلكترونات سالبة الشحنة تدور حول النواة. في الذرة المتعادلة، تُعادل الإلكترونات سالبة الشحنة الشحنة الموجبة للبروتونات. النواة كثيفة؛ إذ تبلغ كتلة النيوكليون حوالي 1836 ضعف كتلة الإلكترون، بينما يبلغ نصف قطر الذرة حوالي 10000 ضعف نصف قطر نواتها. ^{[ 23 ] [ 24 ]}

الذرة هي أيضًا أصغر كيان يمكن تصوره للاحتفاظ بالخصائص الكيميائية للعنصر، مثل السالبية الكهربية ، وجهد التأين ، وحالة الأكسدة المفضلة ، وعدد التنسيق ، وأنواع الروابط المفضلة للتكوين (مثل المعدنية ، والأيونية ، والتساهمية ).

عنصر

العنصر الكيميائي مادة نقية تتكون من نوع واحد من الذرات، وتتميز بعدد محدد من البروتونات في نواة ذراتها، يُعرف بالعدد الذري ويُرمز له بالرمز Z. أما العدد الكتلي فهو مجموع عدد البروتونات والنيوترونات في النواة. على الرغم من أن جميع نوى الذرات التي تنتمي إلى عنصر واحد لها نفس العدد الذري، إلا أنها قد لا تمتلك بالضرورة نفس العدد الكتلي؛ وتُعرف ذرات العنصر الواحد التي لها أعداد كتلية مختلفة بالنظائر . على سبيل المثال، جميع الذرات التي تحتوي على 6 بروتونات في نواتها هي ذرات عنصر الكربون ، ولكن قد يكون لذرات الكربون أعداد كتلية 12 أو 13. ^{[ 24 ]}

يُعرض العنصر الكيميائي عادةً في الجدول الدوري ، الذي يرتب العناصر حسب عددها الذري. يُرتب الجدول الدوري في مجموعات (أعمدة) ودورات (صفوف). يُفيد الجدول الدوري في تحديد الاتجاهات الدورية . ^{[ 25 ]}

مُجَمَّع

المركب هو مادة كيميائية نقية تتكون من أكثر من عنصر. وتختلف خصائص المركب اختلافًا طفيفًا عن خصائص عناصره. ^{[ 26 ]} يضع الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) التسمية القياسية للمركبات. تُسمى المركبات العضوية وفقًا لنظام التسمية العضوية . ^{[ 27} ] وتُسمى المركبات غير العضوية وفقًا لنظام التسمية غير العضوية . عندما يحتوي المركب على أكثر من مكون، يُقسم إلى فئتين: المكونات الموجبة الشحنة والمكونات السالبة الشحنة. ^{[ 28 ]} بالإضافة إلى ذلك، ^ابتكرت خدمة الملخصات الكيميائية (CAS) طريقة لفهرسة المواد الكيميائية. في هذا النظام، يمكن تحديد كل مادة كيميائية برقم يُعرف برقم تسجيلها في CAS .

جزيء

الجزيء هو أصغر جزء غير قابل للتجزئة من مادة كيميائية نقية ، وله خصائصه الكيميائية الفريدة، أي قدرته على التفاعل مع مواد أخرى ضمن مجموعة محددة من التفاعلات الكيميائية. مع ذلك، لا ينطبق هذا التعريف إلا على المواد المكونة من جزيئات، وهو ما لا ينطبق على العديد من المواد (انظر أدناه). تتكون الجزيئات عادةً من مجموعة من الذرات المرتبطة معًا بروابط تساهمية ، بحيث يكون تركيبها متعادلًا كهربائيًا، وتكون جميع إلكترونات التكافؤ فيها مرتبطة بإلكترونات أخرى إما بروابط أو بأزواج حرة .

لذا، توجد الجزيئات كوحدات متعادلة كهربائيًا، على عكس الأيونات. وعندما تُخالف هذه القاعدة، مُكتسبةً شحنة، يُطلق على الناتج أحيانًا اسم أيون جزيئي أو أيون متعدد الذرات. مع ذلك، فإن الطبيعة المنفصلة والمتفرقة للمفهوم الجزيئي تتطلب عادةً وجود الأيونات الجزيئية في صورة منفصلة تمامًا، كما هو الحال في حزمة موجهة في فراغ داخل مطياف الكتلة . ولا تُعتبر التجمعات متعددة الذرات المشحونة الموجودة في المواد الصلبة (مثل أيونات الكبريتات أو النترات الشائعة ) جزيئات في الكيمياء. تحتوي بعض الجزيئات على إلكترون واحد أو أكثر غير مزدوج، مُكوّنةً جذورًا حرة . معظم هذه الجذور نشطة نسبيًا، لكن بعضها، مثل أكسيد النيتريك (NO)، قد يكون مستقرًا.

تتكون العناصر "الخاملة" أو الغازات النبيلة ( الهيليوم ، والنيون ، والأرجون ، والكريبتون ، والزينون ، والرادون ) من ذرات منفردة كوحدة منفصلة، ​​بينما تتكون العناصر الكيميائية الأخرى المعزولة إما من جزيئات أو شبكات من الذرات المرتبطة ببعضها البعض بطريقة ما. وتُكوّن الجزيئات المعروفة مواد مألوفة مثل الماء والهواء والعديد من المركبات العضوية كالكحول والسكر والبنزين والمستحضرات الصيدلانية المختلفة .

مع ذلك، لا تتكون جميع المواد أو المركبات الكيميائية من جزيئات منفصلة، ​​بل إن معظم المواد الصلبة التي تُشكل قشرة الأرض ووشاحها ونواتها هي مركبات كيميائية لا تحتوي على جزيئات. هذه الأنواع الأخرى من المواد، مثل المركبات الأيونية والمواد الصلبة الشبكية ، مُنظمة بطريقة لا تسمح بوجود جزيئات محددة بحد ذاتها . وبدلاً من ذلك، تُناقش هذه المواد من حيث وحدات الصيغة أو الخلايا الأولية باعتبارها أصغر بنية متكررة داخل المادة. ومن أمثلة هذه المواد الأملاح المعدنية (مثل ملح الطعام )، والمواد الصلبة مثل الكربون والماس، والمعادن، ومعادن السيليكا والسيليكات المعروفة مثل الكوارتز والجرانيت.

تُعدّ الهندسة، التي تُسمى غالبًا بالبنية ، إحدى الخصائص الرئيسية للجزيء . وبينما قد تكون بنية الجزيئات ثنائية الذرات أو ثلاثية الذرات أو رباعية الذرات بسيطة ( خطية ، هرمية زاوية، إلخ)، فإن بنية الجزيئات متعددة الذرات، التي تتكون من أكثر من ست ذرات (من عدة عناصر)، قد تكون حاسمة لطبيعتها الكيميائية.

إضافةً إلى الخصائص الكيميائية المحددة التي تميز التصنيفات الكيميائية المختلفة، يمكن أن توجد المواد الكيميائية في عدة أطوار. في الغالب، تكون التصنيفات الكيميائية مستقلة عن تصنيفات الأطوار الكلية؛ ومع ذلك، فإن بعض الأطوار الأكثر غرابة لا تتوافق مع خصائص كيميائية معينة. الطور هو مجموعة من حالات النظام الكيميائي التي لها خصائص بنيوية كلية متشابهة، ضمن نطاق من الظروف، مثل الضغط أو درجة الحرارة .

تميل الخصائص الفيزيائية، مثل الكثافة ومعامل الانكسار، إلى أن تقع ضمن قيم مميزة لكل طور. ويُعرَّف طور المادة بانتقال الطور ، وهو عندما تُستخدم الطاقة المُدخلة إلى النظام أو المُستخرجة منه في إعادة ترتيب بنيته، بدلاً من تغيير خصائصه الداخلية.

أحيانًا يكون التمييز بين الأطوار متصلًا بدلًا من أن يكون له حدود منفصلة؛ في هذه الحالة، تُعتبر المادة في حالة فوق حرجة . عندما تلتقي ثلاث حالات بناءً على الشروط، تُعرف هذه الحالة بالنقطة الثلاثية ، ولأنها ثابتة، فهي طريقة ملائمة لتحديد مجموعة من الشروط.

من أكثر الأمثلة شيوعًا على حالات المادة الصلبة: المواد الصلبة ، والسائلة ، والغازية . وتُظهر العديد من المواد حالات صلبة متعددة. فعلى سبيل المثال، يوجد ثلاثة أطوار للحديد الصلب (ألفا، وجاما، ودلتا) تختلف باختلاف درجة الحرارة والضغط. ويكمن أحد الفروق الرئيسية بين الحالات الصلبة في البنية البلورية ، أو ترتيب الذرات. ومن الحالات الأخرى الشائعة في دراسة الكيمياء الحالة المائية ، وهي حالة المواد المذابة في محلول مائي (أي في الماء).

تشمل الأطوار الأقل شيوعًا البلازما ، ومكثفات بوز-أينشتاين، ومكثفات الفرميونات، والأطوار البارامغناطيسية والفيرومغناطيسية للمواد المغناطيسية . وبينما تتعامل معظم الأطوار المألوفة مع الأنظمة ثلاثية الأبعاد، فمن الممكن أيضًا تعريف نظائر لها في الأنظمة ثنائية الأبعاد، وهو ما حظي باهتمام كبير لأهميته في الأنظمة البيولوجية .

تُسمى الذرات الملتصقة ببعضها في الجزيئات أو البلورات بروابط كيميائية. ويمكن تصور الرابطة الكيميائية على أنها توازن متعدد الأقطاب بين الشحنات الموجبة في النوى والشحنات السالبة المتذبذبة حولها. ^{[ 33 ]} وبالإضافة إلى مجرد التجاذب والتنافر، فإن الطاقات وتوزيعاتها تُحدد مدى إمكانية ارتباط الإلكترون بذرة أخرى.

يمكن أن تكون الرابطة الكيميائية رابطة تساهمية ، أو رابطة أيونية ، أو رابطة هيدروجينية ، أو ناتجة عن قوى فان دير فالس . تُعزى كل من هذه الروابط إلى طاقة كامنة معينة. تُنشئ هذه الطاقات الكامنة التفاعلات التي تربط الذرات معًا في الجزيئات أو البلورات . في العديد من المركبات البسيطة، يمكن استخدام نظرية رابطة التكافؤ ، ونموذج تنافر أزواج إلكترونات غلاف التكافؤ ( VSEPR )، ومفهوم عدد التأكسد لشرح التركيب الجزيئي والتركيب الكيميائي.

تتكون الرابطة الأيونية عندما يفقد فلزٌ إلكترونًا واحدًا أو أكثر من إلكتروناته، فيتحول إلى كاتيون موجب الشحنة، ثم يكتسب اللافلز الإلكترونات، فيتحول إلى أنيون سالب الشحنة. يتجاذب الأيونان المتعاكسان في الشحنة، والرابطة الأيونية هي قوة التجاذب الكهروستاتيكية بينهما. على سبيل المثال، يفقد الصوديوم (Na)، وهو فلز، إلكترونًا واحدًا ليصبح كاتيون Na ⁺ ، بينما يكتسب الكلور (Cl)، وهو لا فلز، هذا ^{الإلكترون} ليصبح Cl- . تترابط الأيونات معًا بفعل التجاذب الكهروستاتيكي، فيتكون مركب كلوريد الصوديوم (NaCl)، أو ملح الطعام الشائع.

في الرابطة التساهمية، تتشارك ذرتان زوجًا أو أكثر من إلكترونات التكافؤ ، وتُسمى المجموعة الناتجة من الذرات المترابطة والمتعادلة كهربائيًا بالجزيء . تتشارك الذرات إلكترونات التكافؤ بطريقة تُنشئ توزيعًا إلكترونيًا مشابهًا للغازات النبيلة (ثمانية إلكترونات في غلافها الخارجي) لكل ذرة . تُسمى الذرات التي تميل إلى الاتحاد بحيث تحتوي كل منها على ثمانية إلكترونات في غلاف تكافؤها بقاعدة الثمانية . مع ذلك، تحتاج بعض العناصر، مثل الهيدروجين والليثيوم ، إلى إلكترونين فقط في غلافها الخارجي للوصول إلى هذا التوزيع الإلكتروني المستقر؛ تُسمى هذه الذرات بقاعدة الثنائي ، وبهذه الطريقة تصل إلى التوزيع الإلكتروني للغاز النبيل الهيليوم ، الذي يحتوي على إلكترونين في غلافه الخارجي.

وبالمثل، يمكن استخدام نظريات الفيزياء الكلاسيكية للتنبؤ بالعديد من البنى الأيونية. أما مع المركبات الأكثر تعقيدًا، مثل معقدات الفلزات ، فإن نظرية الرابطة التكافؤية تصبح أقل ملاءمة، ويتم اللجوء عمومًا إلى مناهج بديلة، مثل نظرية المدارات الجزيئية .

في سياق الكيمياء، تُعدّ الطاقة خاصيةً للمادة نتيجةً لبنيتها الذرية أو الجزيئية أو التجميعية . ولأن التحول الكيميائي يصاحبه تغيير في واحد أو أكثر من هذه البنى، فإنه يصاحبه حتمًا زيادة أو نقصان في طاقة المواد المتفاعلة. وتنتقل بعض الطاقة بين المحيط والمتفاعلات في صورة حرارة أو ضوء ؛ لذا قد تمتلك نواتج التفاعل طاقةً أكبر أو أقل من طاقة المتفاعلات.

يُقال إن التفاعل طارد للطاقة إذا كانت طاقة الحالة النهائية أقل من طاقة الحالة الابتدائية؛ أما في حالة التفاعلات الماصة للطاقة، فالوضع معكوس. ويُقال إن التفاعل طارد للحرارة إذا أطلق حرارة إلى المحيط؛ أما في حالة التفاعلات الماصة للحرارة ، فإنه يمتص حرارة من المحيط.

لا يمكن حدوث التفاعلات الكيميائية إلا إذا تجاوزت المواد المتفاعلة حاجز طاقة يُعرف بطاقة التنشيط . وترتبط سرعة التفاعل الكيميائي (عند درجة حرارة معينة T) بطاقة التنشيط E، من خلال عامل بولتزمان لتوزيع الجزيئات.${\displaystyle e^{-E/kT}}$– أي احتمال أن تمتلك الجزيئة طاقة أكبر من أو تساوي E عند درجة الحرارة T. يُعرف هذا الاعتماد الأسي لمعدل التفاعل على درجة الحرارة بمعادلة أرهينيوس . يمكن أن تكون طاقة التنشيط اللازمة لحدوث التفاعل الكيميائي على شكل حرارة أو ضوء أو كهرباء أو قوة ميكانيكية على شكل موجات فوق صوتية . ^{[ 34 ]}

يُعد مفهوم الطاقة الحرة ، الذي يتضمن أيضًا اعتبارات الإنتروبيا، وسيلةً بالغة الأهمية للتنبؤ بإمكانية حدوث التفاعل وتحديد حالة التوازن في التفاعل الكيميائي، وذلك في الديناميكا الحرارية الكيميائية . ويكون التفاعل ممكنًا فقط إذا كان التغير الكلي في طاقة غيبس الحرة سالبًا.${\displaystyle \Delta G\leq 0\,}$إذا كانت قيمته تساوي صفرًا، يُقال إن التفاعل الكيميائي في حالة توازن .

توجد حالات طاقة محدودة فقط للإلكترونات والذرات والجزيئات. وتُحدد هذه الحالات بقواعد ميكانيكا الكم ، التي تتطلب تكميم طاقة النظام المرتبط. تُسمى الذرات/الجزيئات الموجودة في حالة طاقة أعلى بالذرات/الجزيئات المُثارة. غالبًا ما تكون جزيئات/ذرات المادة في حالة الطاقة المُثارة أكثر تفاعلاً؛ أي أكثر قابلية للتفاعلات الكيميائية.

تتحدد حالة المادة دائمًا بطاقتها وطاقة محيطها. فعندما تكون قوى التجاذب بين جزيئات المادة غير كافية للتغلب عليها بطاقة المحيط، فإنها تتخذ حالة أكثر انتظامًا، كالسائل أو الصلب، كما هو الحال مع الماء (H₂O ₎ ؛ وهو سائل في درجة حرارة الغرفة لأن جزيئاته مرتبطة بروابط هيدروجينية . ^{[ 35 ]} أما كبريتيد الهيدروجين (H₂S ₎ فهو غاز في درجة حرارة الغرفة والضغط القياسي، لأن جزيئاته مرتبطة بروابط ثنائية القطب أضعف .

يعتمد انتقال الطاقة من مادة كيميائية إلى أخرى على حجم كميات الطاقة المنبعثة من المادة الأولى. ومع ذلك، غالبًا ما تنتقل الطاقة الحرارية بسهولة أكبر من أي مادة تقريبًا إلى أخرى، لأن الفونونات المسؤولة عن مستويات الطاقة الاهتزازية والدورانية في المادة تمتلك طاقة أقل بكثير من طاقة الفوتونات المسؤولة عن انتقال الطاقة الإلكترونية. وبالتالي، ولأن مستويات الطاقة الاهتزازية والدورانية متقاربة أكثر من مستويات الطاقة الإلكترونية، تنتقل الحرارة بين المواد بسهولة أكبر مقارنةً بالضوء أو غيره من أشكال الطاقة الإلكترونية. على سبيل المثال، لا ينتقل الإشعاع الكهرومغناطيسي فوق البنفسجي بكفاءة من مادة إلى أخرى كما هو الحال مع الطاقة الحرارية أو الكهربائية.

يُعدّ وجود مستويات طاقة مميزة للمواد الكيميائية المختلفة مفيدًا في تحديدها من خلال تحليل الخطوط الطيفية . وتُستخدم أنواع مختلفة من الأطياف في التحليل الطيفي الكيميائي ، مثل الأشعة تحت الحمراء ، والموجات الميكروية ، والرنين المغناطيسي النووي ، والرنين المغناطيسي الإلكتروني ، وغيرها. كما يُستخدم التحليل الطيفي لتحديد تركيب الأجرام السماوية البعيدة، كالنجوم والمجرات البعيدة، من خلال تحليل أطياف إشعاعها.

يُستخدم مصطلح الطاقة الكيميائية في كثير من الأحيان للإشارة إلى إمكانية خضوع مادة كيميائية لتحول من خلال تفاعل كيميائي أو لتحويل مواد كيميائية أخرى.

عندما تتحول مادة كيميائية نتيجة تفاعلها مع مادة أخرى أو مع طاقة، يُقال إن تفاعلاً كيميائياً قد حدث. لذا، فإن التفاعل الكيميائي مفهومٌ يتعلق بتفاعل مادة ما عند ملامستها لمادة أخرى، سواءً كانت خليطاً أو محلولاً ، أو عند تعرضها لشكل من أشكال الطاقة، أو كليهما. وينتج عن ذلك تبادل للطاقة بين مكونات التفاعل ومع بيئة النظام، والتي قد تكون أوعية مصممة خصيصاً لهذا الغرض، وغالباً ما تكون أدوات زجاجية مخبرية .

يمكن أن تؤدي التفاعلات الكيميائية إلى تكوين أو تفكك الجزيئات، أي انقسام الجزيئات لتكوين جزيئين أو أكثر، أو إعادة ترتيب الذرات داخل الجزيئات أو بينها. وتشمل التفاعلات الكيميائية عادةً تكوين أو كسر الروابط الكيميائية. ومن الأمثلة على التفاعلات الكيميائية الشائعة: الأكسدة، والاختزال ، والتفكك، ومعادلة الحمض والقاعدة، وإعادة ترتيب الجزيئات .

يمكن تمثيل التفاعل الكيميائي رمزياً من خلال معادلة كيميائية . في حين أن عدد ونوع الذرات على جانبي المعادلة متساويان في التفاعل الكيميائي غير النووي، فإن هذا ينطبق فقط على الجسيمات النووية، أي البروتونات والنيوترونات، في التفاعل النووي. ^{[ 36 ]}

تُسمى سلسلة الخطوات التي قد يحدث فيها إعادة تنظيم الروابط الكيميائية أثناء التفاعل الكيميائي بآلية التفاعل . يمكن تصور حدوث التفاعل الكيميائي على عدة مراحل، قد تختلف سرعة كل منها. وبالتالي، يمكن تصور وجود العديد من المركبات الوسيطة ذات الاستقرار المتفاوت أثناء التفاعل. تُقترح آليات التفاعل لشرح حركية التفاعل ونسبة نواتج التفاعل. يتخصص العديد من الكيميائيين الفيزيائيين في استكشاف واقتراح آليات التفاعلات الكيميائية المختلفة. غالبًا ما تكون بعض القواعد التجريبية، مثل قواعد وودوارد-هوفمان، مفيدة عند اقتراح آلية للتفاعل الكيميائي.

بحسب الكتاب الذهبي للاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) ، يُعرَّف التفاعل الكيميائي بأنه "عملية ينتج عنها تحول بين أنواع كيميائية مختلفة". ^{[ 37 ]} وبناءً على ذلك، قد يكون التفاعل الكيميائي تفاعلاً أولياً أو تفاعلاً متدرجاً . ويُشار إلى أن هذا التعريف يشمل الحالات التي يكون فيها التحول بين المتماثلات قابلاً للملاحظة تجريبياً. عادةً ما تتضمن هذه التفاعلات الكيميائية القابلة للكشف مجموعات من الكيانات الجزيئية كما هو موضح في هذا التعريف، ولكن من الملائم من الناحية المفاهيمية استخدام المصطلح أيضاً للتغيرات التي تشمل كيانات جزيئية مفردة (أي "الأحداث الكيميائية المجهرية").

الأيون هو جسيم مشحون، ذرة أو جزيء، فقد أو اكتسب إلكترونًا واحدًا أو أكثر. عندما تفقد الذرة إلكترونًا، وبالتالي يصبح لديها عدد من البروتونات يفوق عدد الإلكترونات، تُسمى أيونًا موجب الشحنة أو كاتيونًا . وعندما تكتسب الذرة إلكترونًا، وبالتالي يصبح لديها عدد من الإلكترونات يفوق عدد البروتونات، تُسمى أيونًا سالب الشحنة أو أنيونًا . يمكن للكاتيونات والأنيونات أن تُشكّل شبكة بلورية من الأملاح المتعادلة ، مثل أيوني الصوديوم (Na ⁺⁾ والكلوريد (Cl- ⁾ اللذين يُكوّنان كلوريد الصوديوم (NaCl). ومن أمثلة الأيونات متعددة الذرات التي لا تنقسم أثناء تفاعلات الحمض والقاعدة أيون الهيدروكسيد (OH- ⁾ وأيون الفوسفات ( _PO43- ⁾ .

يتكون البلازما من مادة غازية تأينت بالكامل، وعادة ما يكون ذلك من خلال درجة حرارة عالية.

يمكن تصنيف المادة غالبًا إلى حمض أو قاعدة . توجد عدة نظريات مختلفة تفسر سلوك الأحماض والقواعد. أبسطها نظرية أرهينيوس ، التي تنص على أن الحمض مادة تُنتج أيونات الهيدرونيوم عند ذوبانها في الماء، بينما القاعدة مادة تُنتج أيونات الهيدروكسيد عند ذوبانها في الماء. ووفقًا لنظرية برونستد-لوري للأحماض والقواعد ، فإن الأحماض مواد تمنح أيون هيدروجين موجبًا لمادة أخرى في تفاعل كيميائي؛ وبالمثل، فإن القاعدة هي المادة التي تستقبل أيون الهيدروجين هذا.

ثمة نظرية شائعة ثالثة هي نظرية لويس للأحماض والقواعد ، والتي تقوم على تكوين روابط كيميائية جديدة. تشرح نظرية لويس أن الحمض مادة قادرة على استقبال زوج من الإلكترونات من مادة أخرى أثناء عملية تكوين الرابطة، بينما القاعدة مادة قادرة على توفير زوج من الإلكترونات لتكوين رابطة جديدة. وهناك عدة طرق أخرى لتصنيف المادة كحمض أو قاعدة، كما يتضح من تاريخ هذا المفهوم. ^{[ 38 ]}

تُقاس قوة الحموضة عادةً بطريقتين. الأولى، المستندة إلى تعريف أرهينيوس للحموضة، هي الرقم الهيدروجيني (pH )، وهو مقياس لتركيز أيون الهيدرونيوم في المحلول، ويُعبَّر عنه بمقياس لوغاريتمي سالب . وبالتالي، فإن المحاليل ذات الرقم الهيدروجيني المنخفض تحتوي على تركيز عالٍ من أيون الهيدرونيوم، ويمكن القول إنها أكثر حمضية. أما الطريقة الثانية، المستندة إلى تعريف برونستد-لوري، فهي ثابت تفكك الحمض (Ka ₎ ، الذي يقيس القدرة النسبية للمادة على العمل كحمض وفقًا لتعريف برونستد-لوري للحمض. أي أن المواد ذات قيمة Ka الأعلى _تكون أكثر ميلًا للتبرع بأيونات الهيدروجين في التفاعلات الكيميائية من تلك ذات قيمة _{Ka الأقل.}

تشمل تفاعلات الأكسدة والاختزال جميع التفاعلات الكيميائية التي تتغير فيها حالة أكسدة الذرات إما باكتساب إلكترونات (اختزال) أو بفقدانها ( أكسدة). تُسمى المواد التي لها القدرة على أكسدة مواد أخرى بالمواد المؤكسدة، وتُعرف باسم عوامل مؤكسدة . يقوم العامل المؤكسد بنزع الإلكترونات من مادة أخرى . وبالمثل، تُسمى المواد التي لها القدرة على اختزال مواد أخرى بالمواد المختزلة، وتُعرف باسم عوامل مختزلة .

ينقل العامل المختزل الإلكترونات إلى مادة أخرى، فيتأكسد هو نفسه. ولأنه "يتبرع" بالإلكترونات، يُسمى أيضًا مانحًا للإلكترونات. تشير الأكسدة والاختزال في الواقع إلى تغير في عدد التأكسد، وقد لا يحدث انتقال فعلي للإلكترونات. لذا، يُعرَّف التأكسد بشكل أدق بأنه زيادة في عدد التأكسد ، والاختزال بأنه انخفاض في عدد التأكسد.

على الرغم من أن مفهوم التوازن يستخدم على نطاق واسع في مختلف العلوم، إلا أنه في سياق الكيمياء، ينشأ كلما كان من الممكن وجود عدد من الحالات المختلفة للتركيب الكيميائي، كما هو الحال على سبيل المثال في خليط من عدة مركبات كيميائية يمكن أن تتفاعل مع بعضها البعض، أو عندما يمكن أن توجد مادة ما في أكثر من نوع واحد من الأطوار.

إن نظام المواد الكيميائية المتوازنة، على الرغم من ثبات تركيبه، لا يكون في أغلب الأحيان نظامًا ساكنًا ؛ إذ تستمر جزيئات هذه المواد في التفاعل مع بعضها البعض، مما يُؤدي إلى توازن ديناميكي . وبالتالي، يصف هذا المفهوم الحالة التي تبقى فيها المعايير، مثل التركيب الكيميائي، ثابتة مع مرور الوقت.

تخضع التفاعلات الكيميائية لقوانين معينة، أصبحت مفاهيم أساسية في الكيمياء. ومن هذه القوانين:

لقد تغير تعريف الكيمياء بمرور الزمن، إذ أضافت الاكتشافات والنظريات الجديدة إلى وظائف هذا العلم. فقد عرّف العالم البارز روبرت بويل مصطلح "الكيمياء" عام 1661 بأنه دراسة المبادئ المادية للأجسام المختلطة. ^{[ 41 ]} وفي عام 1663، وصف الكيميائي كريستوفر جلاسر "الكيمياء" بأنها فن علمي، يتعلم المرء من خلاله كيفية إذابة الأجسام، واستخلاص المواد المختلفة المكونة لها، وكيفية إعادة تجميعها، والارتقاء بها إلى درجة أعلى من الكمال. ^{[ 42 ]}

كان تعريف كلمة "الكيمياء" عام 1730، كما استخدمه جورج إرنست شتال ، يعني فن تحليل المواد المختلطة أو المركبة أو المتجمعة إلى مكوناتها الأساسية، وتكوين هذه المواد من تلك المكونات. ^{[ 43 ]} وفي عام 1837، اعتبر جان باتيست دوما أن كلمة "الكيمياء" تشير إلى العلم المعني بقوانين وتأثيرات القوى الجزيئية. ^{[ 44 ]} وتطور هذا التعريف لاحقًا حتى أصبح، في عام 1947، يعني علم المواد: بنيتها وخصائصها والتفاعلات التي تحولها إلى مواد أخرى، وهو تعريف تبناه لينوس باولينغ . ^{[ 45 ]} وفي الآونة الأخيرة، في عام 1998، وسّع البروفيسور ريموند تشانغ تعريف "الكيمياء" ليشمل دراسة المادة والتغيرات التي تطرأ عليها. ^{[ 46 ]}

جمعت الحضارات المبكرة ، مثل المصريين ^{[ 47 ]} والبابليين والهنود [ ^{48 ]} ، معرفة عملية تتعلق بفنون المعادن والفخار والأصباغ، لكنها لم تطور نظرية منهجية ^.

ظهرت فرضية كيميائية أساسية لأول مرة في اليونان الكلاسيكية مع نظرية العناصر الأربعة التي طرحها أرسطو بشكل قاطع ، والتي تنص على أن النار والهواء والأرض والماء هي العناصر الأساسية التي يتكون منها كل شيء. يعود تاريخ الذرية اليونانية إلى عام 440 قبل الميلاد، حيث ظهرت في أعمال فلاسفة مثل ديموقريطس وإبيقور . وفي عام 50 قبل الميلاد، توسع الفيلسوف الروماني لوكريتيوس في هذه النظرية في قصيدته "في طبيعة الأشياء". ^{[ 49 ] [ 50 ]} وعلى عكس المفاهيم العلمية الحديثة، كانت الذرية اليونانية ذات طبيعة فلسفية بحتة، مع اهتمام ضئيل بالملاحظات التجريبية وعدم الاهتمام بالتجارب الكيميائية. ^{[ 51 ]}

يُعدّ مفهوم " لا شيء يأتي من لا شيء " في الفلسفة اليونانية القديمة ، والذي نجده عند إمبيدوكليس (القرن الرابع قبل الميلاد تقريبًا): "لأنه من المستحيل أن يوجد شيء مما ليس موجودًا، ولا يمكن أن يحدث أو يُسمع أن يُفنى الموجود تمامًا." [ ^{52 ] وكذلك} عند إبيقور (القرن الثالث قبل الميلاد)، الذي وصف طبيعة الكون، فكتب أن "مجموع الأشياء كان دائمًا على ما هو عليه الآن، وسيظل كذلك دائمًا." ^{[ 53 ]}

في العالم الهلنستي، انتشر فن الخيمياء أولًا، ممزوجًا السحر والتنجيم في دراسة المواد الطبيعية بهدف تحويل العناصر إلى ذهب واكتشاف إكسير الحياة الأبدية. ^{[ 54 ]} استمر العمل، ولا سيما تطوير التقطير ، في أوائل العصر البيزنطي ، وكان أشهر ممارسيه اليوناني المصري زوسيموس من بانوبوليس في القرن الرابع الميلادي . ^{[ 55 ]} استمر تطوير الخيمياء وممارستها في جميع أنحاء العالم العربي بعد الفتوحات الإسلامية ، ^{[ 56 ]} ومن هناك، ومن البقايا البيزنطية، ^{[ 57 ]} انتشرت إلى أوروبا في العصور الوسطى وعصر النهضة من خلال الترجمات اللاتينية.

أدخلت المؤلفات العربية المنسوبة إلى جابر بن حيان تصنيفًا منهجيًا للمواد الكيميائية، وقدمت تعليمات لاستخلاص مركب غير عضوي ( مثل كلوريد الأمونيوم ) من مواد عضوية (كالنباتات والدم والشعر) بالوسائل الكيميائية. ^{[ 58 ]} تُرجمت بعض مؤلفات جابر العربية (مثل "كتاب الرحمة" و"كتاب السبعين") لاحقًا إلى اللاتينية تحت الاسم اللاتيني "جيبر"، ^{[ 59 ]} وفي أوروبا في القرن الثالث عشر، بدأ كاتب مجهول، يُشار إليه عادةً باسم "جيبر الزائف" ، في إنتاج كتابات في الكيمياء والمعادن تحت هذا الاسم. ^{[ 60 ]} وفي وقت لاحق، ناقش فلاسفة مسلمون مؤثرون، مثل أبي الريحان البيروني ^{[ 61 ]} وابن سينا ^{​​[ 62 ]،} نظريات الكيمياء، ولا سيما نظرية تحويل المعادن .

شكّلت التحسينات التي طرأت على تكرير الخامات واستخلاصها لصهر المعادن مصدرًا واسعًا للمعلومات لدى الكيميائيين الأوائل في القرن السادس عشر، ومن بينهم جورج أغريكولا (1494-1555)، الذي نشر عمله الرئيسي " دي ري ميتاليكا" عام 1556. وقد مثّل عمله، الذي يصف عمليات متطورة ومعقدة لتعدين خامات المعادن واستخلاصها، ذروة علم المعادن في ذلك الوقت. وقد أزال منهجه كل ما كان يُحيط بهذا العلم من غموض، مُرسيًا بذلك الأساس العملي الذي استند إليه الآخرون. ويصف العمل أنواعًا عديدة من الأفران المستخدمة في صهر الخامات، وحفّز الاهتمام بالمعادن وتركيبها. وقد وُصف أغريكولا بأنه "أبو علم المعادن" ومؤسس علم الجيولوجيا كفرع علمي. ^{[ 66 ] [ 64 ] [ 65 ]}

تحت تأثير الثورة العلمية وأساليبها التجريبية الجديدة التي طرحها السير فرانسيس بيكون وآخرون، بدأت مجموعة من الكيميائيين في أكسفورد ، روبرت بويل وروبرت هوك وجون مايو، في إعادة صياغة التقاليد الكيميائية القديمة وتحويلها إلى تخصص علمي. وقد شكك بويل تحديدًا في بعض النظريات الكيميائية الشائعة، ودعا ممارسي الكيمياء إلى أن يكونوا أكثر "فلسفية" وأقل تركيزًا على الجانب التجاري في كتابه "الكيميائي المتشكك " . ^{[ 39 ]} وصاغ قانون بويل ، ورفض نظرية "العناصر الأربعة" الكلاسيكية، واقترح بديلًا آليًا قائمًا على الذرات والتفاعلات الكيميائية التي يمكن إخضاعها لتجارب دقيقة. ^{[ 67 ]}

في العقود اللاحقة، تحققت العديد من الاكتشافات المهمة، مثل طبيعة "الهواء" الذي اكتُشف أنه يتكون من غازات مختلفة. اكتشف الكيميائي الاسكتلندي جوزيف بلاك والفلمنكي يان بابتيست فان هيلمونت ثاني أكسيد الكربون ، أو ما أسماه بلاك "الهواء الثابت"، عام 1754؛ واكتشف هنري كافنديش الهيدروجين ووضح خصائصه؛ وعزل جوزيف بريستلي ، وبشكل مستقل، كارل فيلهلم شيل الأكسجين النقي . طُرحت نظرية الفلوجستون (المادة الأساسية للاحتراق) من قِبل الألماني جورج إرنست شتال في أوائل القرن الثامن عشر، ولم تُدحض إلا في نهاية القرن على يد الكيميائي الفرنسي أنطوان لافوازييه ، النظير الكيميائي لنيوتن في الفيزياء. وقد بذل لافوازييه جهودًا جبارة في ترسيخ هذا العلم الجديد على أسس نظرية سليمة، من خلال توضيح مبدأ حفظ الكتلة وتطوير نظام جديد للتسمية الكيميائية يُستخدم حتى يومنا هذا. ^{[ 69 ]}

اقترح العالم الإنجليزي جون دالتون النظرية الحديثة للذرات ؛ وهي أن جميع المواد تتكون من "ذرات" غير قابلة للتجزئة من المادة وأن الذرات المختلفة لها أوزان ذرية متفاوتة.

تطورت النظرية الكهروكيميائية للتركيبات الكيميائية في أوائل القرن التاسع عشر نتيجةً لعمل عالمين على وجه الخصوص، وهما يونس جاكوب بيرزيليوس وهمفري ديفي ، وقد أُتيح ذلك بفضل اختراع أليساندرو فولتا للبطارية الفولتية . اكتشف ديفي تسعة عناصر جديدة، بما في ذلك الفلزات القلوية، عن طريق استخلاصها من أكاسيدها باستخدام التيار الكهربائي. ^{[ 70 ]}

اقترح العالم البريطاني ويليام براوت لأول مرة ترتيب جميع العناصر وفقًا لأوزانها الذرية، حيث أن وزن جميع الذرات هو مضاعف دقيق للوزن الذري للهيدروجين. وضع جيه. إيه. آر. نيولاندز جدولًا مبكرًا للعناصر، والذي طُوِّر لاحقًا إلى الجدول الدوري الحديث للعناصر ^{[ 73 ]} في ستينيات القرن التاسع عشر على يد ديمتري مندليف ، وبشكل مستقل من قبل العديد من العلماء الآخرين، بمن فيهم يوليوس لوثار ماير . ^{[ 74 ] [ 75 ]} اكتشف ويليام رامزي الغازات الخاملة، التي سُميت لاحقًا بالغازات النبيلة، بالتعاون مع اللورد رايلي في نهاية القرن، وبذلك اكتملت البنية الأساسية للجدول.

تم تطوير الكيمياء العضوية بواسطة جوستوس فون ليبيج وآخرين، بعد تركيب فريدريش فولر لليوريا . ^{[ 76 ]} ومن التطورات الحاسمة الأخرى في القرن التاسع عشر: فهم الرابطة التكافؤية ( إدوارد فرانكلاند في عام 1852) وتطبيق الديناميكا الحرارية على الكيمياء ( جيه دبليو جيبس ​​وسفانتي أرهينيوس في سبعينيات القرن التاسع عشر).

مع مطلع القرن العشرين، أصبحت الأسس النظرية للكيمياء مفهومة أخيرًا بفضل سلسلة من الاكتشافات المذهلة التي نجحت في استكشاف طبيعة البنية الداخلية للذرات واكتشافها. ففي عام ١٨٩٧، اكتشف جيه جيه طومسون من جامعة كامبريدج الإلكترون ، وبعد ذلك بوقت قصير، قام العالم الفرنسي بيكريل، بالإضافة إلى الزوجين بيير وماري كوري، بدراسة ظاهرة النشاط الإشعاعي . وفي سلسلة من تجارب التشتت الرائدة، اكتشف إرنست رذرفورد في جامعة مانشستر البنية الداخلية للذرة ووجود البروتون، وصنف وشرح أنواع النشاط الإشعاعي المختلفة، ونجح في تحويل أول عنصر عن طريق قذف النيتروجين بجسيمات ألفا .

طُوِّرت أعماله في مجال التركيب الذري على يد تلاميذه، الفيزيائي الدنماركي نيلز بور ، والإنجليزي هنري موزلي ، والألماني أوتو هان ، الذين أسسوا لاحقًا الكيمياء النووية الناشئة واكتشفوا الانشطار النووي . وقد طوّر العالمان الأمريكيان لينوس باولينغ وجيلبرت ن . لويس النظرية الإلكترونية للروابط الكيميائية والمدارات الجزيئية .

أعلنت الأمم المتحدة عام 2011 عامًا دوليًا للكيمياء . ^{[ 77 ]} وكإحدى السنوات الدولية العديدة التي حددتها الأمم المتحدة، كانت هذه مبادرة لتوسيع نطاق التوعية والفهم العام للكيمياء. وقد اختير هذا العام بمناسبة الذكرى المئوية لحصول ماري كوري على جائزة نوبل في الكيمياء . ^{[ 78 ]} وبعد عدة سنوات، في عام 2019، أعلنت الأمم المتحدة العام الدولي للجدول الدوري . ^{[ 79 ]}

ينقسم علم الكيمياء عادةً إلى عدة فروع رئيسية. كما توجد أيضاً عدة مجالات رئيسية متعددة التخصصات ومجالات أكثر تخصصاً في الكيمياء. ^{[ 80 ]}

• الكيمياء التحليلية هي تحليل عينات المواد لفهم تركيبها الكيميائي وبنيتها . وتتضمن الكيمياء التحليلية أساليب تجريبية معيارية في الكيمياء. ويمكن استخدام هذه الأساليب في جميع فروع الكيمياء، باستثناء الكيمياء النظرية البحتة. ^{[ 81 ]}

• الكيمياء الحيوية هي دراسة المواد الكيميائية والتفاعلات الكيميائية التي تحدث في الكائنات الحية . وهي مجال متعدد التخصصات، يشمل الكيمياء الطبية ، والكيمياء العصبية ، والبيولوجيا الجزيئية ، وعلم الأدلة الجنائية ، وعلم النبات ، وعلم الوراثة . ^{[ 83 ]} أما الكيمياء العصبية فهي دراسة المواد الكيميائية العصبية ، بما في ذلك النواقل العصبية، والببتيدات، والبروتينات، والدهون، والسكريات، والأحماض النووية؛ وتفاعلاتها، والأدوار التي تؤديها في تكوين الجهاز العصبي والحفاظ عليه وتعديله.
• كان علم الكيمياء غير العضوية تقليديًا يُعنى بدراسة المعادن والفلزات، ^{[ 84 ]} ولكنه يهتم بشكل أساسي ببنية وسلوك المركبات المشتقة من الفلزات وعناصر المجموعات الرئيسية . ولا يُعد التمييز بين الكيمياء العضوية وغير العضوية مطلقًا، إذ يوجد تداخل كبير بينهما، لا سيما في فرع الكيمياء العضوية الفلزية .
• كيمياء المواد هي تحضير وتوصيف وفهم مكونات أو أجهزة الحالة الصلبة ذات الوظائف الحالية أو المستقبلية المفيدة. ^{[ 85 ]} يُمثل هذا المجال امتدادًا جديدًا للدراسة في برامج الدراسات العليا، وهو يدمج عناصر من جميع فروع الكيمياء الكلاسيكية ، مثل الكيمياء العضوية وغير العضوية وعلم البلورات ، مع التركيز على القضايا الأساسية الخاصة بالمواد . تشمل أنظمة الدراسة الرئيسية كيمياء الأطوار المكثفة (المواد الصلبة والسائلة والبوليمرات ) والأسطح البينية بين الأطوار المختلفة.
• الكيمياء العضوية هي دراسة بنية وخواص وتركيب وآليات وتفاعلات المركبات العضوية . يُعرَّف المركب العضوي بأنه أي مركب يتكون من هيكل كربوني. يمكن تصنيف المركبات العضوية وتنظيمها وفهم تفاعلاتها من خلال مجموعاتها الوظيفية أو ذراتها أو جزيئاتها التي تُظهر خواص كيميائية مميزة في المركب. ^{[ 86 ]}

• الكيمياء الفيزيائية هي دراسة الأسس الفيزيائية والأساسية للأنظمة والعمليات الكيميائية. وعلى وجه الخصوص، تُعدّ طاقة وديناميكية هذه الأنظمة والعمليات ذات أهمية بالغة للكيميائيين الفيزيائيين. تشمل مجالات الدراسة المهمة الديناميكا الحرارية الكيميائية ، والحركية الكيميائية ، والكيمياء الكهربائية ، والميكانيكا الإحصائية ، والتحليل الطيفي ، ومؤخرًا، الكيمياء الفلكية . تتداخل الكيمياء الفيزيائية بشكل كبير مع الفيزياء الجزيئية . وتتضمن استخدام حساب التفاضل والتكامل في اشتقاق المعادلات. وعادةً ما ترتبط بالكيمياء الكمية والكيمياء النظرية. تُعتبر الكيمياء الفيزيائية تخصصًا مستقلًا عن الفيزياء الكيميائية ، ولكن مع ذلك، يوجد تداخل قوي بينهما.
• الكيمياء النظرية هي دراسة الكيمياء من خلال الاستدلال النظري الأساسي (عادةً ضمن الرياضيات أو الفيزياء ). ويُطلق على تطبيق ميكانيكا الكم على الكيمياء اسم الكيمياء الكمية . منذ نهاية الحرب العالمية الثانية ، أتاح تطور الحواسيب تطورًا منهجيًا للكيمياء الحاسوبية ، وهي فن تطوير وتطبيق برامج حاسوبية لحل المسائل الكيميائية. تتداخل الكيمياء النظرية بشكل كبير مع فيزياء المادة المكثفة (النظرية والتجريبية) والفيزياء الجزيئية .

وتشمل التقسيمات الفرعية الأخرى الكيمياء الكهربائية ، وكيمياء الفيمتو ، وكيمياء النكهات ، وكيمياء التدفق ، والكيمياء المناعية النسيجية ، وكيمياء الهدرجة ، والكيمياء الرياضية ، والميكانيكا الجزيئية ، وكيمياء المنتجات الطبيعية ، والكيمياء العضوية المعدنية ، وكيمياء البترول ، والكيمياء الضوئية ، والكيمياء العضوية الفيزيائية ، وكيمياء البوليمرات ، والكيمياء الإشعاعية ، والكيمياء الصوتية ، والكيمياء فوق الجزيئية ، والكيمياء التركيبية ، وغيرها الكثير.

تشمل المجالات متعددة التخصصات الكيمياء الزراعية ، والكيمياء الفلكية ( والكيمياء الكونية )، وكيمياء الغلاف الجوي ، والهندسة الكيميائية ، وعلم الأحياء الكيميائي، والمعلوماتية الكيميائية ، والكيمياء البيئية ، والكيمياء الجيولوجية ، والكيمياء الخضراء ، والكيمياء المناعية ، والكيمياء البحرية ، وعلم المواد ، والكيمياء الميكانيكية ، والكيمياء الطبية ، وعلم الأحياء الجزيئي ، وتكنولوجيا النانو ، وعلم صناعة النبيذ ، وعلم الأدوية ، والكيمياء النباتية ، وكيمياء الحالة الصلبة ، وعلم الأسطح ، والكيمياء الحرارية ، وغيرها الكثير.

تمثل الصناعة الكيميائية نشاطاً اقتصادياً هاماً على مستوى العالم. وقد بلغت مبيعات أكبر 50 شركة منتجة للمواد الكيميائية في العالم عام 2013 ما قيمته 980.5 مليار دولار أمريكي ، بهامش ربح قدره 10.3%. ^{[ 87 ]}