H χημεία ως επιστήμη έχει ένα ευρύτατο αντικείμενο το οποίο διαρκώς εξελίσσεται και επεκτείνεται. Είναι επομένως δύσκολο να δοθεί ένας μοναδικός ορισμός για την επιστήμη αυτή και να μην κινδυνεύει να χαρακτηρισθεί ελλιπής.

Με τι ακριβώς ασχολείται η Χημεία και ποιος είναι ο ορισμός της;

 Είναι δύσκολο να δώσει κανείς ένα ορισμό για την Χημεία που να περιγράφει ικανοποιητικά και στο σύνολο της την επιστήμη αυτή. Οι κύριοι λόγοι είναι ότι έχει μεγάλο εύρος και ότι διαρκώς αναπτύσσεται και επεκτείνεται σε νέα πεδία.

Εάν επιχειρηθεί λοιπόν να δοθεί ένας απλός ορισμός θα ήταν ότι είναι η επιστήμη που ασχολείται με τις χημικές ουσίες, την δομή και τις ιδιότητές τους καθώς και με τις μεταβολές τους .

 Η χημεία, όπως και οι άλλες φυσικές επιστήμες, προσπαθεί να δώσει απαντήσεις για τον φυσικό κόσμο που μας περιβάλλει. Πρακτικά, αποτελούμαστε αλλά και περιστοιχιζόμαστε από τα άτομα των χημικών στοιχείων και από εκατομμύρια ενώσεις τους. 

Ποιες ερωτήσεις σχετικά με τις χημικές αυτές ουσίες προσπαθεί να απαντήσει  η χημεία;

  •  Κάποιες από τις ερωτήσεις που προσπαθεί να απαντήσει είναι για παράδειγμα, γιατί ορισμένα άτομα ενώνονται  μεταξύ τους ή με άλλα άτομα;  Για παράδειγμα στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται φωτογραφία αντίδρασης του Na με το Η2Ο όπου σχηματίζεται ΝaOH και H2, δηλαδή το Na ενώνεται με το O από το H2O και τα άτομα Η μεταξύ τους.
  •    Ποιες είναι οι ιδιότητες  μίας  χημικής ένωσης;
  • Πώς μπορεί να προβλεφθεί το σχήμα ενός μορίου (ή διάταξη των ατόμων του στο χώρο);
  • Πώς μπορεί να παρασκευασθεί μία χημική ένωση;
  • Γιατί μερικές χημικές αντιδράσεις πραγματοποιούνται γρήγορα ενώ άλλες με πολύ αργό ρυθμό; Για παράδειγμα η αντίδραση του Na με το H2O πραγματοποιείται ταχύτατα και εκλύεται θερμότητα ( Σχήμα 1 ).
  • Κατά την διάρκεια μίας χημικής αντίδρασης μετατρέπονται τα αντιδρώντα πλήρως σε προϊόντα ή μόνο κατά ένα ποσοστό;
  • Πώς μπορεί να προσδιορισθεί η σύσταση μίας άγνωστης χημικής ουσίας;

Σχήμα 1: Το Νa αντιδρά με το νερό και σχηματίζεται NaOH και υδρογόνο

 

Οπως προκύπτει από τα παραπάνω η χημεία ασχολείται με τον φυσικό κόσμο, με την ύλη ποιο συγκεκριμένα, αλλά και με τα άτομα από τα οποία αποτελείται.

Η χημεία ασχολείται επομένως με τον μικρόκοσμο ή με τον μακρόκοσμο;

Η χημεία όπως όλες οι φυσικές επιστήμες μελετά την φύση και ποιο συγκεκριμένα την ύλη. Επομένως ασχολείται με τον μακρόκοσμο. Για να προσδιορίσει όμως τα χαρακτηριστικά και τις ιδιότητες της ύλης  χρειάζεται να μελετήσει τις ιδιότητες των ατόμων και των υποατομικών σωματιδίων καθώς και των μορίων από τα οποία αποτελείται. Επομένως ασχολείται και με τον μικρόκοσμο. Για παράδειγμα η τρύπα του όζοντος μπορεί να χαρακτηρισθεί ως μακροσκοπικό φαινόμενο. Εχει αποτυπωθεί σε δορυφορικές φωτογραφίες/αναπαραστήσεις  ως οι περιοχές με χαμηλές συγκεντρώσεις όζοντος στην στρατόσφαιρα (η λέξη τρύπα δεν χρησιμοποιείται από τους επιστήμονες κυριολεκτικά αλλά ως μεταφορά για να υποδηλωθεί η ελάττωση της συγκέντρωσης του όζοντος κάτω απο τα ιστορικά όρια των 220 Dobson units – στις κατάλληλα επεξεργασμένες αναπαραστήσεις οι περιοχές αυτές που έχουν χαμηλή συγκέντρωση όζοντος σύμφωνα με τις μετρήσεις αναπαραστώνται με μπλέ-μώβ χρώμα (Σχήμα 2)).  Η χημεία δεν εξετάζει όμως το φαινόμενο της τρύπας του όζοντος μόνο μακροσκοπικά δηλαδή με το να μετρήσει συγκεντρώσεις του όζοντος  και να τις αποτυπώσει στο χαρτί αλλά  προσπαθεί να κατανοήσει και να ερμηνεύσει το μηχανισμό, τις αντιδράσεις και τις χημικές ουσίες που συμμετέχουν στην δημιουργία του (Σχήμα 3).  Εξετάζει επομένως το φαινόμενο και σε επίπεδο μικρόκοσμου.

Σχήμα 2: Επάνω: Η τρύπα του όζοντος όπως αναπαρίσταται με βάση τις συγκεντρώσεις του στην στρατόσφαιρα στις 17-09-1997    Κάτω: Η τρύπα του όζοντος όπως αναπαρίσταται με βάση τις συγκεντρώσεις του στην στρατόσφαιρα στις 26-09-2009

 
 
 
 
Σχήμα 3:  Προτεινόμενος μηχανισμός αντιδράσεων για την εξήγηση του φαινομένου της δημιουργίας της τρύπας του όζοντος
 
 

Πριν να εξετάσουμε από χημικής πλευράς την ύλη είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε από τι αποτελείται. Είναι γνωστό εδώ και χιλιάδες χρόνια, ότι μερικές ουσίες μπορούν να διασπασθούν σε απλούστερες με θέρμανση ή χημική επεξεργασία έως ένα ορισμένο σημείο όπου μετά είναι αδιαίρετες με χημικά και φυσικά μέσα. Οι αδιαίρετες αυτές ουσίες ονομάζονται στοιχεία η καλλίτερα άτομα των στοιχείων.

Η ιδέα του ατόμου ως του μικρότερου αδιαίρετου σωματιδίου της ύλης είναι γνωστή από την αρχαιότητα και είχε προταθεί από τον Δημόκριτο (460-370 π.Χ.) (η λέξη άτομο προέρχεται από

 

Δημόκριτος (460-370 π.Χ.)

 το στερητικό –α και το τέμνω και σημαίνει κάτι που δεν μπορεί να διαιρεθεί επιπλέον). Σύμφωνα με τον Δημόκριτο «η ύλη συντίθεται από αδιαίρετα σωματίδια τα άτομα τα οποία ενώνονται μεταξύ τους με διαφορετικούς συνδυασμούς σχηματίζοντας όλα τα υλικά σώματα που μας περιβάλλουν». Αν και η θεωρία του Δημόκριτου για το άτομο και την ύλη αποτελούν ακόμη και σήμερα θεμέλιο λίθο της επιστήμης, η αντίληψή μας για το άτομο έχει αλλάξει λόγω του έργου του Ε. Fermi. Σήμερα γνωρίζουμε ότι το άτομο είναι διαιρετό και μάλιστα ότι κατά την διάσπασή του εκλύονται τεράστια ποσά ενέργειας.

Η μελέτη των ιδιοτήτων των ατόμων των αερίων από τον J. Dalton τον 19 αι. άνοιξε τον δρόμο για την μελέτη του ατόμου στην σύγχρονη εποχή και την διατύπωση των σύγχρονων ατομικών προτύπων. Σύμφωνα με τον J. Dalton (1808) «κάθε χημικό στοιχείο αποτελείται από μικροσκοπικά αδιαίρετα, μη καταστρεφόμενα σωματίδια τα άτομα. Όλα τα άτομα του ίδιου στοιχείου είναι όμοια μεταξύ τους, έχουν το ίδιο ατομικό βάρος και άλλες κοινές ιδιότητες»

                                                                                                                           

Ακολούθησαν τα ατομικά πρότυπα του J. J. Thomson (1897), του Rutherford (1911) και του Ν. Bohr (1913) τα οποία συνέβαλαν σημαντικά στην προσπάθεια περιγραφής του ατόμου και στην

 σημερινή αντίληψη για το άτομο (κβαντομηχανικό πρότυπο).

Το 1926 προτάθηκε το κβαντομηχανικό πρότυπο του ατόμου το οποίο και έγινε τελικά αποδεκτό από όλους ως το πληρέστερο πρότυπο. Στην δεκαετία 1920-1930 επιτεύχθηκε η μέτρηση της μάζας και ο προσδιορισμός του μεγέθους αρκετών ατόμων των γνωστών έως τότε στοιχείων. Έως το 1970 αναπτύχθηκαν νέες τεχνικές που επέτρεψαν πλεόν την απεικόνιση μεμονωμένων ατόμων. Μία από αυτές είναι η Μικροσκοπική  Σάρωση Σήραγγας με την οποία  στο Σχήμα 4 έχει απεικονισθεί ένα άτομο κοβαλτίου (Co) επάνω σε μία χάλκινη επιφάνεια (περισσότερες πληροφορίες στην δημοσίευση του NIST).

 

Σχήμα 4: Απεικόνιση ατόμου Co επάνω σε χάλκινη επιφάνεια με την τεχνική της Μικροσκοπικής Σάρωσης Σήραγγας

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Advertisements