شاخه‌ای از علوم تجربی است که از یک سو درباره شناخت خواص ، ساختار و ارتباط بین خواص و ساختار مواد و قوانین مربوط به آنها بحث می‌کند. از سوی دیگر ، راههای تهیه ، استخراج مواد خالص از منابع طبیعی ، تبدیل مواد به یکدیگر و یا سنتز آنها به روشی که به صرفه مقرون باشد، مورد بحث و بررسی قرار می‌د‌هند. این علم با ترکیب و ساختار و نیروهایی که این ساختارها را برپا نگه داشته است، سروکار دارد.
شرح تفصیلی درباره چگونگی واکنش‌ها و سرعت پیشرفت آنها ، شرایط لازم برای فراهم آوردن تغییرات مطلوب و جلوگیری از تغییرات نامطلوب ، تغییرات انرژی که با واکنش‌های شیمیایی همراه است، سنتز موادی که در طبیعت صورت می‌گیرد و آنهایی که مشابه طبیعی ندارند و بالاخره روابط کمی جرمی بین مواد در تغییرات شیمیایی در علم شیمی مورد مطالعه قرار می‌گیرد.
پیدایش دانش شیمی (Chemistry science)
انسان از بدو خلقت که بناچار پیوسته با اشیای محیط زیست خود سرو کار پیدا کرد، با شناخت تدریجی نیازهای زندگی خویش و کسب اطلاعات بیشتری درباره خواص آنها ، آموخت که برای ادامه حیات خود به ناچار باید از آنها استفاده کند. با گذشت زمان دریافت که برای استفاده هر چه بیشتر و بهتر از این مواد ، باید در وضعیت و کیفیت آنها تغییراتی وارد کند. این کار با استفاده از گرما و بویژه کشف آتش بصورت عملی در آمده بود.
آغاز دانش بشری را در واقع می‌توان همان آغاز استفاده از آتش دانست. زیرا گرم کردن و پختن مواد و … ، تغییراتی شیمیایی می‌باشد و این خود نشان دهنده این واقعیت است که شیمی ، علمی است که در ارتباط با اولین و حیاتی‌ترین نیازهای جامعه بشری بوجود آمده و برای برآورده کردن هر چه بیشتر این نیازها که روز به روز تنوع حاصل می‌کرد، توسعه و تکام یافته است.
از آنجایی که شیمی ، علم تجربی است و بشر اولیه قبل از هر نوع تفکر و نظریه پردازی ساختار و چگونگی پیدایش مواد موجود در محیط زیست خود ، در اندیشه حفظ خود از سرما و آزمایش‌های مربوط به گرما ، رفع گرسنگی و احتمالا دفاع از هستی خویش بوده و در راه دسترسی به چگونگی تغییر و تبدیل آنها به منظور استفاده هر چه بهتر و بیشتر از آنها قدم برمی‌داشت، بر همین اساس بود که بخش شیمی نظری خیلی دیرتر از بخش کاربردی آن آغاز شد و پیشرفت کرد.
سیر تکامی و رشد
اولین نظریه درباره ساختار مواد ، حدود 400 سال قبل از میلاد توسط فلاسفه یونان بیان شد، در صورتی که شاخه کاربردی شیمی چندین هزار سال قبل از میلاد رواج داشت و قابلیت توجیه پیدا کرده بود. به چند مورد اشاره می‌کنیم.
• طلا ، اولین فلزی بود که توسط بشر کشف شد و نقره پس از طلا کشف شد و در زندگی بشر کاربرد پیدا کرد.
مس سومین فلزی بود که کشف شد. سرب ، قلع و جیوه بعد از مس و قبل از آهن کشف شدند.
آهن به علت دشواریهایی که در استخراج آن وجود داشت، دیرتر از فلزات فوق کشف و مورد استفاده قرار گرفت.
• ساختن شیشه رنگی (سبز و آبی) و شیشه بی‌رنگ در مصر و بین‌النهرین و در کشورهای مجاور دریای اژه و دریای سیاه و تهیه بطری‌های شیشه‌ای در بین‌النهرین متداول شد.
• کوزه‌گری ، سفالگری و استفاده از لوحه‌های سفالی و تهیه لعاب و لعاب دادن ظروف سفالی در مصر و بین‌النهرین متداول شد.
• تهیه پارچه‌های نخی ، ابریشمی و پشمی و رنگرزی آنها با رنگهای نیلی ارغوانی و قرمز و … رواج یافت. رنگ قرمز از حشره‌ای به نام قرمزدانه ، رنگ نیلی از گیاهی بنام ایندیگو و رنگ بنفش از جانور دریایی بدست آمد.
• دباغی پوست با استفاده از زاجها ، تهیه الکل ، سرکه ، روغن ، مومیا و استخراج نمک از آب دریا انجام گرفت.
طبقه‌بندی علم شیمی
شیمی محض یا شیمی نظری
درباره شناخت خواص و ساختار و ارتباط خواص و ساختار مواد و قوانین مربوط به آنها بحث می‌کند.
شیمی عملی یا شیمی کاربردی
راههای تهیه ، استخراج مواد خالص از منابع طبیعی ، تبدیل مواد به یکدیگر و یا سنتز آنها را مورد بررسی قرار می‌دهد.
دامنه علم شیمی
بدین ترتیب دامنه علم شیمی در زمینه‌های نظری و عملی فوق‌العاده گسترش حاصل کرد و نقشهای حساس را در زندگی انسان به عهده گرفت. بطوری که امروزه میزان برخورداری هر جامعه از تکنولوژی شیمیایی ، معیار قدرت و ثروت و رفاه آن جامعه محسوب شده و بصورت جزئی از فلسفه زندگی در آمده است
پیوند شیمیایی و انواع آن
اتمهای گازهای بی‌اثر میل ندارند با عنصرهای دیگر پیوند تشکیل دهند یا با اتمهای دیگری از نوع خود به یکدیگر بپیوندند، ولی عنصرهای دیگر به جز گازهای بی‌اثر نمی‌توانند به تنهایی و بدون پیوستن به اتمهای عنصرهای دیگر یا اتمهای دیگری از نوع خود به بقای خود ادامه دهند و حتما باید با اتم یا اتمهای دیگر پیوند تشکیل دهند. به هم پیوستن دو اتم را معمولا تشکیل پیوند می‌گویند.
دید کلی
بررسی مواد ساده و مرکب در طبیعت نشان می‌دهد که اکثریت قریب به اتفاق اتمها در طبیعت به حالت آزاد وجود ندارند. مواد ساده‌ای که در طبیعت به حالت آزاد وجود دارند، بندرت بصورت مولکول تک اتمی‌هستند. بیشتر مواد ساده بصورت مولکولهای دو یا چند اتمی در طبیعت پیدا می‌شوند. برای مثال گاز هیدروژنی که از اثر اسیدها بر فلزها یا از تجزیه الکتریکی آب یا از هر راه دیگری بدست می‌آید، بصورت مولکول دو اتمی است.
اکسیژن نیز در اغلب موارد بصورت مولکول دو اتمی و گاهی نیز بصورت مولکول سه اتمی اوزون یافت می‌شود. فسفر سفید بصورت مولکول چهار اتمی و گوگرد بصورت مولکول هشت اتمی است. تنها گازهای بی‌اثر در طبیعت بصورت تک اتمی یافت می‌شوند.
پیوند شیمیایی در هیدروژن
وقتی دو اتم هیدروژن به یکدیگر نزدیک می‌شوند، اوربیتالهای اتمی آنها به یک اوربیتال مولکولی تبدیل می‌شود. در اوربیتال مولکولی ابر الکترونی تحت تاثیر جاذبه دو هسته قرار دارد. در حالی که در اوربیتال اتمی ابر الکترونی تحت تاثیر جاذبه یک هسته است.
چون نیروی جاذبه هسته‌ها در فضای بین دو هسته از جاهای دیگر بیشتر است، در نتیجه تراکم ابر الکترونی در فاصله دو هسته از جاهای دیگر بیشتر خواهد بود.
انرژی پیوند
انرژی پیوند ، عبارت است از مقدار انرژی آزاد شده به هنگام تشکیل پیوند بین یک مول اتمهای گازی شکل یک عنصر با یک مول اتمهای گازی شکل همان عنصر یا عنصر دیگر.
انواع پیوند شیمیایی
یوند کووالانسی
در مولکول هیدروژن ، اتمها ، الکترون به اشتراک می‌گذارند و با استفاده از مدل بور ، الکترونهای مشترک بر روی مدار خارجی هر دو اتم گردش می‌کنند. به بیان دیگر ، ابر الکترونی تحت تاثیر جاذبه دو هسته قرار دارد و تراکم ابر الکترونی در فاصله دو هسته از جاهای دیگر بیشتر است. چنین پیوندی پیوند کووالانسی نامیده می‌شود.
پیوند کووالانسی بین دو اتم هیدروژن از همپوشانی اوربیتال s بوجود می‌آید و مولکول حاصل بیضوی است که هسته‌های دو اتم در دو کانون آن قرار دارند و تراکم ابر الکترونی در بین دو هسته زیاد و در اطراف هسته‌ها کمتر است. در نتیجه تشکیل پیوند ، اوربیتالهای اتمی به اوربیتال مولکولی تبدیل می‌شوند. اوربیتالهای مولکولی حاصل از تشکیل پیوند میان دو اتم هیدروژن بیضوی است که تراکم ابر الکترونی بر روی خط واصل بین هسته‌های آن از جاهای دیگر بیشتر است. این شکل اوربیتال مولکولی اوربیتال مولکولی سیگما یا پیوند سیگما نامیده می‌شود.
در نوع دیگر از اوربیتالهای مولکولی ، نه تنها سطح انرژی پائین نمی‌آید و انرژی آزاد نمی‌شود، بلکه سطح انرژی از اتمهای اولیه نیز بالاتر است، این اوربیتال را نمی‌توان اوربیتال پیوندی نامید، بلکه یک اوربیتالی ضد پیوندی است و بصورت نشان داده می‌شود.
هرچه در یک مولکول ، تعداد اوربیتالهای پیوندی اشغال شده بیشتر باشد، مولکول پایدارتر است، ولی هر گاه تعداد اوربیتالهای پیوندی و ضد پیوندی برابر باشد، دو اتم از یکدیگر جدا می‌مانند و بین آنها پیوندی تشکیل نمی‌شود. تعداد پیوند میان دو اتم برابر نصف تعداد الکترونهای موجود در اوربیتالهای پیوندی منهای نصف تعداد الکترونهای موجود در اوربیتالهای ضد پیوندی است.
پیوند اکسیژن با هیدروژن :
اکسیژن ، دو اوربیتال تک الکترونی دارد. هر گاه یک اتم اکسیژن و یک اتم هیدروژن به یکدیگر نزدیک شوند، امکان جاذبه بر دافعه وجود دارد و در این صورت پیوند تشکیل می‌شود. در این مجموعه ، هیدروژن به آرایش گاز بی‌اثر هلیم رسیده است، ولی اکسیژن در خارجی‌ترین سطح انرژی خود دارای هفت الکترون شده و هنوز به آرایش گاز بی‌اثر نرسیده است.
آرایش الکترونی اکسیژن پس از تشکیل یک پیوند با یک هیدروژن مشابه آرایش الکترونی فلوئور شده است. بنابراین این مجموعه می‌تواند به همان راههایی که فلوئور آرایش الکترونی خود را به آرایش الکترونی گاز بی‌اثر رساند، آرایش الکترونی خود را کامل کند. یکی از راههای رسیدن به آرایش الکترونی گاز بی‌اثر آن است که با یک اتم هیدروژن دیگر پیوند برقرار کند و مولکول O را پدید آورد.
پیوند داتیو
اتم نیتروژن با سه اتم هیدروژن ، پیوند کووالانسی معمولی تشکیل می‌دهد و به آرایش الکترونی گاز بی‌اثر می‌رسد. پس از این عمل ، برای نیتروژن یک جفت الکترون غیر پیوندی باقی می‌ماند که می‌تواند آن را بصورت داتیو در اختیار اتمهایی که به آن نیاز دارند، قرار دهد. از سوی دیگر ، اتم هیدروژن که یک اتم الکترون در اوربیتال آن موجود است، هر گاه این الکترون را از دست بدهد، به یون تبدیل می‌شود که اوربیتال آن خالی است.
حال هرگاه این یون به مولکول آمونیاک نزدیک شود، با آن پیوند داتیو برقرار می‌کند و خود را به آرایش الکترونی گاز بی‌اثر می‌رساند: این مجموعه که یون آمونیوم نامیده می‌شود، در بسیاری از ترکیبات مانند کلرید آمونیوم و هیدروکسید آمونیوم وجود دارد.
اندازه گیری‌های انجام شده نشان می‌دهد که انرژی و طول هر چهار پیوند نیتروژن _ هیدروژن در یون آمونیوم کاملا یکسان است. این امر منطقی نیز به نظر می‌رسد، زیرا پیوند داتیو نیز مانند پیوند کووالانسی معمولی یک جفت الکترون است که بین هسته اتم نیتروژن و هسته اتم هیدروژن قرار گرفته است.
هچنین می‌تواند با یون یون تشکیل دهد که در آن هر چهار پیوند از نظر طول و انرژی یکسان هستند. کلرید آلومینیوم نیز با یون ترکیب می‌شود و یون تولید می‌کند که در آن هر چهار پیوند AL - Cl از نظر طول و انرژی یکسان هستند.
پیوند الکترووالانسی (یونی)
در اتم لیتیم ، 2 الکترون وجود دارد که یک الکترون ، در لایه والانس آن قرار دارد. به هنگام تشکیل پیوند ، چون این اتم در دومین سطح انرژی دارای جفت الکترون غیر پیوندی نیست و تفاوت سطح انرژی اول و دوم نیز بسیار زیاد است، نمی‌تواند الکترون خود را برانگیخته کند. بنابراین در خارجی‌ترین سطح انرژی ، تنها یک الکترون خواهد داشت.