Hemija: Grana prirodnih nauka koja proučava sastav, strukturu i osobine supstance

Hemija se pretežno bavi atomima i molekulama kao i s njihovim interakcijama i pretvaranjima, naprimjer, osobinama hemijskih veza između atoma koje grade hemijske spojeve. Kao takva, hemija proučava interakcije elektrona i različitih oblika energije u fotohemijskim reakcijama, reakcijama oksidacije i redukcije, faznih tranzicija i odvajanja supstanci iz mješavina (smjesa). Dobijanje i osobine složenih supstanci, kao što su legure, polimeri, biomolekule i farmaceutska sredstva smatraju se specijaliziranim oblastima odnosno granama hemije.

Hemija se ponekad naziva i središnja nauka, jer ona premoštava druge prirodne nauke poput fizike, geologije i biologije. Hemija je grana fizičkih nauka ali postoji određena razlika od fizike. Etimologija pojma hemija nije u potpunosti razjašnjena, pa je u tom pogledu tema određenih neslaganja. Historija hemije se može pratiti i preko određenih faza u njenom razvoju, poput alhemije, koja se praktikovala hiljadama godina u mnogim dijelovima svijeta.

Pojam hemija potječe od riječi alhemija, ranijeg skupa aktivnosti koji su obuhvatali elemente iz moderne hemije, metalurgije, filozofije, astrologije, astronomije, misticizma i medicine. Ona se obično smatrala kao potraga za načinom pretvaranja olova ili nekog drugog uobičajenog materijala u zlato. Alhemija se počela praktikovati oko 330. godine, uključivala je proučavanje sastava vode, njenog kretanja, rasta, pridruživanja i izlučivanja iz drugih supstanci, izvlačenja duhova iz tijela kao i njihovim spajanjem unutar tijela (Zosim iz Panopolisa). Alhemičari su se u narodnom govoru zvali hemičari, a kasniji sufiks -ija je dodan kako bi se opisala vještina hemičara kao hemija.

Riječ alhemija je izvedena iz arapske riječi al-kimia (الکیمیاء). U korijenu, pojam je posuđen iz grčkog χημία ili χημεία. Dalje, ovaj pojam je možda i egipatskog porijekla. Mnogi vjeruju da je al-kimia izvedena iz grčkog χημία, a koja se opet dobila preko riječi chemi ili kimi, što je drevno ime Egipta u egipatskom jeziku. Po drugom mišljenju, al-kimia je možda izvedena iz χημεία, u značenju izliti (spojiti) zajedno.

Retrospektivno, definicija hemije se mijenjala kroz historiju, kako su nova otkrića i teorije dodavne nove funkcionalnosti u ovu nauku. Pojam hemija, po mišljenju poznatog hemičara Boyla 1661. koji je smatrao da je ona subjekat materijalnih principa mješanih (složenih) tijela. Dvije godine kasnije, 1663. hemičar Christopher Glaser opisao je hemiju kao naučnu umjetnost, koja izučava rastvorena tijela te iz njih izvlači različite supstance od kojih su ona izgrađena, kao i način kako da ih ponovno spojiti i dovesti ih do savršenosti višeg nivoa.

Definicija riječi hemija iz 1730. koju je koristio Georg Ernst Stahl značila je umjetnost razdvajanja miješanih, agregatnih i spojenih tijela u njihove sastojke; kao i sastavljanje takvih tijela iz tih sastojaka. Jean-Baptiste Dumas je 1837. smatrao pojam hemije kao nauku koja izučava zakone i efekte molekularnih sila. Ova definicija je kasnije evoluirala, pa se 1947. došlo do značenja nauke o supstancama: njihovoj strukturi, osobinama i reakcijama koje ih pretvaraju u druge supstance, a ovu karakterizaciju hemije prihvatio je i Linus Pauling. U novije doba, 1998. profesor Raymond Chang proširio je tu definiciju na proučavanje materije i promjena koje se dešavaju s njom.

 

Stare civilizacije, poput Egipćana, Babilonaca i Indijaca stekle su ogromno praktično znanje o vještinama metalurgije, izrade grnčarije i pravljenja boja, ali o tome nisu razvili sistematsku teoriju.

Osnovne hemijske hipoteze prvo su se pojavile u klasičnoj Grčkoj u vidu teorije "četiri elementa" što je konačno uobličio Aristotel navodeći da su vatra, zrak, zemlja i voda četiri temeljna elementa čijim je kombiniranjem izgrađeno sve ostalo. Grčki atomizam potječe iz 440tih p.n.e., nastao u djelima filozofa kao što su Demokrit i Epikur. Rimski filozof Lukrecije je 50 p.n.e. razvio ovu teoriju u svojoj knjizi De rerum natura ("O prirodi stvari"). Za razliku od modernog koncepta nauke, grčki atomizam je bio čisto filozofske prirode, sa vrlo slabim vezama sa iskustvenim posmatranjima i bez ikakvog osvrta na hemijske eksperimente.

Vještina alhemije je najprije doživjela procvat u helenističkom svijetu, gdje su se miješale magija i okultizam u proučavanje prirodnih supstanci, s krajnjim ciljem pretvaranja elemenata u zlato i otkrivanje napitka vječnog života. Alhemija je otkrivena i praktikovana širom arapskog svijeta nakon pojave islama, a od tamo se prelila u srednjovjekovnu i renesansnu Evropu preko latinskih prevoda.

Hemija kao nauka

Pod utjecajem novih iskustvenih metoda koje su predložili Francis Bacon i drugi, grupa hemičara na Univerzitetu u Oxfordu, Robert Boyle, Robert Hooke i John Mayow počeli su da iznova oblikuju stare alhemijske tradicije u naučnu disciplinu. Naročito se Boyle smatra za osnivača i "oca" hemije zbog svog najvažnije rada, teksta iz oblasti klasične hemije "Skeptični hemičar" (The Sceptical Chymist) gdje su navedene osnovne razlike između postavki alhemije i iskustvenih naučnih otkrića nove hemije. On je, između ostalog, objavio i Boyleov zakon, čime je odbio klasične postavke "četiri elementa" i predložio mehanističke alternative atoma i hemijskih reakcija koje bi mogle biti subjekat strogih eksperimenata.

 

Teoriju flogistona (supstance koja je u osnovi svakog sagorijevanja) predložio je Nijemac Georg Ernst Stahl početkom 18. vijeka a tu teoriju je tek krajem tog vijeka opovrgnuo francuski hemičar Antoine Lavoisier, "hemijski" pandan Newtonu u fizici; koji je učinio više od bilo koga drugog za osnivanje nove nauke na ispravnim teoretskim osnovama, tako što je rasvijetlio princip održanja mase i razvio novi sistem hemijske nomenklature, koji se i danas manje-više koristi.

Međutim, prije ovog njegovog rada, postignuta su mnoga važna otkrića, naročito u vezi prirode zraka, za koji se ispostavilo da je sastavljen iz mnogih različitih gasova. Škotski hemičar Joseph Black (prvi eksperimentalni hemičar) i Holanđanin J. B. van Helmont otkrili su ugljik-dioksid, ili ono što je Black nazivao "fiksni zrak" 1754. godine; Henry Cavendish je otkrio vodik i rasvijetlio mnoge njegove osobine, dok su Joseph Priestley i, nezavisno od njega, Carl Wilhelm Scheele izdvojili čisti kisik.

Engleski naučnik John Dalton postavio je modernu teoriju atoma; po kojoj su sve supstance sastavljene iz nevidljivih atoma materije i da različiti atomi imaju različite atomske težine. Razvoj elektrohemijske teorije hemijskih kombinacija desio se početkom 19. vijeka naročito kao rezultat rada dvojice naučnika Jacob Berzeliusa i Humphryja Davyja, a zasnovanog na ranijim otkrićima elektrostatičkog stuba koji je napravio Alessandro Volta. Davy je otkrio devet novih elemenata uključujući alkalne metale izdvajajući ih iz njihovih oksida pomoću električne struje.

Britanac William Prout prvi je predložio sortiranje svih hemijskih elemenata prema njihovim atomskim težinama, tako što je sve poznate atome izrazio omjerom njihove težine prema atomskoj težini vodika. Newlands je napravio prvobitni sistem elemenata, koji su kasnije razvili u moderni periodni sistem elemenata Nijemac Lothar Meyer i Rus Dmitrij Ivanovič Mendeljejev tokom 1860tih. Inertne gasove, kasnije nazvani plemeniti gasovi, otkrio je William Ramsay u saradnji sa Lordom Rayleighjem krajem 19. vijeka, pa su s tim otkrićem popunjene osnovne strukture tabele periodnog sistema.

Organsku hemiju razvio je Justus von Liebig i njegovi savremenici, nakon što je Friedrich Wöhler sintetizirao ureu kojim je zapravo potvrđeno da se živi organizmi, teoretski, mogu posmatrati i svesti pod hemijske zakone. Druga važna otkrića 19. vijeka bila su, između ostalog, razumijevanje valencije veze (Edward Frankland 1852. godine) i primjena termodinamike u hemiji (J. W. Gibbs i Svante Arrhenius tokom 1870tih).

Hemijska struktura

 

Tek početkom 20. vijeka konačno su shvaćene teoretske osnove hemije nakon serije značajnih otkrića, koji su rezultat uspjelih pokusa u istraživanju prave prirode unutrašnje strukture atoma. Godine 1897. J. J. Thomson je na Univerzitetu Cambridge otkrio elektron a vrlo brzo njega je francuski naučnik Becquerel kao i bračni par Pierre i Marie Curie istraživali fenomen radioaktivnosti. U seriji pionirskih eksperimenata Ernest Rutherford je na Univerzitetu u Manchesteru otkrio unutrašnju strukturu atoma i postojanje protona, klasificirao je i objasnio različite vrste radioaktivnog zračenja i uspješno transmutirao prvi element bombardujući dušik alfa-česticama.

Njegov rad na atomskoj strukturi razvili su i poboljšali njegovi učenici, danski fizičar Niels Bohr i Englez Henry Moseley. Elektronsku teoriju hemijskih veza i molekulskih orbitala razvili su američki naučnici Linus Pauling i Gilbert N. Lewis.

Godinu 2011. Ujedinjeni narodi su proglasili Međunarodnom godinom hemije. Godina je proglašena na inicijativu IUPAC-a (Međunarodne unije čiste i primijenjene hemije) te UN organizacije za nauku, obrazovanje i kulturu, a uključivao je hemijska društva, akademije i institucije u svijetu a zasnivala se na individualnim inicijativama za organiziranje lokalnih i regionalnih aktivnosti.

 

Danas prihvaćeni model atomske strukture je kvantnomehanički model. Tradicionalna hemija počinje proučavanjem elementarnih čestica, atoma, molekula, hemijskih spojeva, metala, kristala i drugih agregata materije. Ova materija se može proučavati u tri (uobičajena) agregatna stanja: čvrstom, tečnom ili gasovitom stanju, bilo u pojedinačnom ili njihovoj kombinaciji. Međudjelovanja, reakcije i transformacije koje se proučavaju u hemiji obično su rezultat interakcije između atoma, koji dovode do reorganiziranja hemijskih veza koje drže atome povezane jedne s drugima. Takva ponašanja se ispituju u hemijskim laboratorijama. Prema stereotipskim mišljenjima, u hemijskim laboratorijama se koriste razni oblici laboratorijskog posuđa. Međutim, posuđe nije osnovno u hemijskim naukama, a veliki broj eksperimenata u hemiji, kako primijenjenoj tako i u industrijskoj, izvodi se bez njega.

Hemijska reakcija je transformacija nekih supstanci u jednu ili više drugačijih supstanci. Osnova za takve hemijske transformacije je reorganiziranje elektrona u hemijskim vezama između atoma. One se simbolički mogu predstaviti pomoću hemijskih jednačina, koje obično uključuju atome kao subjekte. Broj atoma na lijevoj i na desnoj strani jednačine moraju biti jednaki. Samo u posebnim slučajevima kada broj atoma na suprotnim stranama jednačine nije isti, takva transformacija se naziva nuklearna reakcija ili radioaktivni raspad. Vrste hemijskih reakcija u koje mogu stupati supstance i promjene energije povezane sa njima obuhvaćene su određenim osnovnim pravilima, poznatim kao hemijski zakoni.

Razmatranja o energiji i entropiji su nezamjenjivo važna u gotovo svim oblastima hemije. Hemijske supstance se dijele po njihovoj strukturi, fazama, kao i po hemijskom sastavu. One se mogu analizirati koristeći alate hemijske analize kao što su spektroskopija i hromatografija. Naučnici koji se bave hemijskim istraživanjima nazivaju se hemičarima. Većina modernih hemičara se specijalizira u jednoj ili više podoblasti hemije. Za detaljno izučavanje hemije postoje brojni koncepti od nezamjenjivog značaja, a neki od njih su:

Materija

 

U hemiji, materija je definirana kao sve ono što ima masu u mirovanju i zapreminu (zauzima prostor) i sačinjeno je od čestica. Čestice koje sačinjavaju materiju također imaju vlastitu masu u mirovanju, ali je nemaju sve čestice, kao što su naprimjer fotoni. Materija može biti čista supstanca ili smjesa dvije ili više supstanci.

Atom

Atom je osnovna jedinica hemije. Sastoji se iz gustog jezgra zvanog atomsko jezgro okruženog prostorom zvanim elektronski oblak. Jezgro se sastoji iz pozitivno naelektrisanih čestica, protona, i nenaelektrisanih neutrona (zajedno zvanih nukleoni), dok se elektronski oblak sastoji iz negativno naelektrisanih elektrona koji se kreću oko jezgra. U neutralnom atomu, negativno nabijeni elektroni u potpunosti izbalansiraju pozitivni naboj protona. Jezgro je relativno gusto, masa nukleona je 1.836 puta veća nego elektrona, ali je obim atoma oko 10.000 puta veći od obima njegovog jezgra.

Atom je tako najmanji dio za koji se može reći da zadržava hemijske osobine nekog elementa, poput elektronegativnosti, ionizacijskog potencijala, preferiranog oksidacijskog stanja, koordinacijskog broja i željene vrste veze koju gradi (npr. metalna, ionska ili kovalentna).

Element

 

Hemijski element je čista supstanca koja se sastoji od samo jedne vrste atoma, a karakterizira ih samo njima svojstveni broj protona u jezgrima atoma, što se u hemijskoj terminologiji naziva atomski broj, predstavljen simbolom Z. Maseni broj je zbir broja protona i neutrona u jezgru. Iako sva jezgra svih atoma pripadaju određenom jednom elementu i imaju isti atomski broj, oni ne moraju imati isključivo isti maseni broj. Atomi jednog elementa koji imaju različite masene brojeve nazivaju se izotopi. Naprimjer, svi atomi sa 6 protona u svojim jezgrama su atomi hemijskog elementa ugljika, ali oni mogu imati maseni broj 12 ili 13 (ako su stabilni).

Uobičajeno predstavljanje hemijskih elemenata je pomoću periodnog sistema, u kojem su elementi poredani po atomskim brojevima. Periodni sistem je postavljen u grupe (kolone tabele) i periode (redovi tabele). Periodni sistem je koristan za identificiranje periodnih trendova.

Hemijski spoj

 

Spoj je čista hemijska supstanca koja se sastoji iz više od jednog hemijskog elementa. Osobine nekog spoja najčešće imaju vrlo malo sličnosti sa osobinama elemenata od kojih su sastavljeni. Međunarodna unija za čistu i primijenjenu hemiju (IUPAC) je postavila sistem standardne nomenklature za sve spojeve. Organski spojevi dobijaju ime u skladu sa sistemom organske nomenklature. Neorganski spojevi dobijaju ime u skladu sa neorganskom nomenklaturom. Osim toga Servis hemijskih sažetaka (Chemical Abstracts Service) preporučuje metod indeksiranja hemijskih supstanci. Po toj shemi, svaka hemijska supstanca se može jedinstveno identificirati pomoću broja poznatog kao CAS registarski broj.

Molekula

 

Molekula je najmanji pojedinačni dio neke čiste hemijske supstance ili spoja koja i dalje ima jedinstveni skup njenih hemijskih osobina, tj. njen potencijal da učestvuje u određenom skupu hemijskih reakcija sa drugim supstancama. Međutim, ova definicija može se u velikoj mjeri upotrijebiti za supstance koje su sastavljene iz molekula, a što nije tačno za mnoge druge supstance. Molekule su obično skup atoma vezanih zajednom kovalentnim vezama, pa je takva struktura električki neutralna a svi valentni elektroni su upareni sa drugim elektronima bilo u veze ili kao usamljeni parovi.

Stoga, molekule postoje kao električki neutralne jedinice, za razliku od iona. Ako se ovo pravilo prekrši, dajući molekuli neko naelektrisanje, rezultat toga se ponekad naziva molekularni ion ili poliatomski ion. Ipak, diskretna i izdvojena priroda molekularnog koncepta obično zahtijeva da se molekularni ioni mogu nalazi samo u vrlo jasno izdvojenom obliku, kao što njihov usmjereni snop u vakuumu u masenom spektrometru. Nabijena poliatomska kolekcija može biti prisutna u čvrstim tijelima (npr. zajednički sulfatni ili nitratni ioni) a općenito se ne smatra molekulama u hemiji.

Takozvani intertni ili plemeniti gasovi (helij, neon, argon, kripton, ksenon i radon) sastoje se iz pojedinačnih (zasebnih, slobodnih) atoma kao svojih najmanjih jedinica, dok se drugi izdvojenih hemijski elementi sastoje bilo od molekula ili od mreže atoma vezanih jedan na drugi na neki od načina. Molekule grade mnoge supstance iz svakodnevnog života poput vode, zraka i mnogih organskih spojeva kao što su alkoholi, šećeri, benzin i razni lijekovi.

Ipak, sve supstance niti svi spojevi se ne sastoje iz pojedinačnih molekula, a većina čvrstih supstanci koji sačinjavaju čvrstu koru, omotač ili jezgro Zemlje su hemijski spojevi bez molekula. Postoje i druge vrste supstanci, kao što su ionski spojevi i umrežena čvrsta tijela, organizirani na način da u njima nema pojedinačnih, zasebnih molekula (po definiciji molekule). Umjesto toga, takve supstance se posmatraju po pojmovima formulskih jedinica ili jediničnih ćelija kao najmanjih ponavljućih struktura unutar supstance. Primjeri su mineralne soli (poput kuhinjske), čvrstih tijela poput ugljika, dijamanta, metala te uobičajene silike i silikatnih minerala poput kvarca i granita.

Jedna od osnovnih karakteristika molekula je njena geometrija često nazvana njenom strukturom. Dok strukture dvoatomskih, troatomskih ili četvoroatomskih molekula mogu biti trivijalne (linearne, piramidalne i sl.), strukture poliatomskih molekula, koje su izgrađene od više od šest atoma (nekoliko različitih elemenata) može biti vrlo važna za njenu hemijsku prirodu i osobine.

Supstance i smjese

Primjeri čistih hemijskih supstanci. S lijeva na desno: elementi kalaj (Sn) i sumpor (S), dijamant (alotrop ugljika), saharoza (čisti šećer) i natrij-hlorid (so) i natrij-hidrogenkarbonat (soda bikarbona), koje su ionski spojevi.

Hemijska supstanca je vrsta materije sa konačnim hemijskim sadržajem i tačno određenim skupom osobina. Kolekcija dvije ili više supstanci naziva se smjesa ili mješavina. Primjeri smjesa su zrak u atmosferi i legure.

Mol i količina supstance

Mol je jedinica mjere koja označava količinu supstance (također poznata i kao hemijska količina). Mol se definira kao broj atoma koji se nalazi u tačno 0,012 kilograma (12 g) ugljikovog izotopa 12 (ugljik-12), kada su atomi ugljika-12 nepovezani, u mirovanju i svom osnovom (nepobuđenom) stanju. Broj čestica po molu poznat je i pod nazivom Avogadrova konstanta, a iskustveno je utvrđena da približno iznosi 6,022×10²³ mol⁻¹. Molarna koncentracija je količina određene supstance po zapremini rastvora, i obično se izražava u molima po dm⁻³.

Agregatno stanje

 

Pored specifičnih hemijskih osobina koji svrstavaju po različitim hemijskim klasifikacijama, hemikalije mogu postojati u nekoliko agregatnih stanja. U većini slučajeva, hemijske klasifikacije su nezavisne od ovih klasifikacija po stanju, međutim, određene egzotične faze nisu kompatibilne sa određenim hemijskim osobinama. Agregatno stanje je skup stanja hemijskog sistema u kojem on ima slične strukturne osobine, pod određenim uslovima okoline, od kojih su dva najznačajnija: pritisak i temperatura.

Fizičke osobine, poput gustoće i indeksa prelamanja teže da se kreću unutar vrijednosti karakterističnih za određeno agregatno stanje. Stanje materije se definira kao fazni prijelaz, u kojem, kada se energija dovede ili odvede iz sistema, prelazi u "preorganiziranje" strukture sistema, umjesto promjene općenitih uslova. Ponekad distikcija između faza može biti kontinuirana umjesto da ima jasnu granicu, u tom slučaju za materiju se kaže da je u superkritičnom stanju. Kada se tri stanja nalaze istovremeno pod određenim okolnostima, takvi uslovi se nazivaju trojna tačka, a pošto je ona invarijanta, uobičajeno se ona definira kao skup određenih uslova.

Najpoznatiji primjeri agregatnih stanja su čvrsta tijela, tekućine i gasovi. Mnoge supstance mogu postojati u oblika u čvrstoj fazi. Naprimjer, postoje tri faze čvrstog željeza (alfa, gama i delta) koje variraju u odnosu na temperaturu i pritisak. Osnovna razlika između čvrstih faza je kristalna struktura, ili aranžiranje atoma. Druga faza koja se obično javlja u studijama hemije je vodena odnosno tečna faza, koja je stanje supstance rastvorene u vodenom rastvoru (tj. u vodi).

Nešto manje uobičajene faze su stanje plazme, Bose-Einsteinovog kondenzata i fermionskog kondenzata, te paramagnetske i feromagnetske faze magnetičnih materijala. Iako se većina uobičajenih stanja odnosi u trodimenzionalne sisteme, tako je moguće definirati i analoge u dvodimenzionalnim sistemima, koje imaju posebnu pažnju zbog njihove relevatnosti u biološkim sistemima.

Hemijska veza

 

Za atome koji spojeni jedni s drugim u molekule ili kristale kaže se da su povezani hemijskom vezom. Hemijska veza se može predstaviti kao višepolna ravnoteža između pozitivno naelektrisanog jezgra i negativnih naelektrisanja koji osciliraju oko njega. Mnogo više od jednostavnog privlačenja i odbijanja, enerigije i raspodjela karakteriziraju dostupnost elektrona u vezi prema drugom atomu.

Hemijske veze mogu biti kovalentne, ionske, vodikove ili jednostavno zbog Van der Waalsove sile. Svaka od ovih veza ima određeni potencijal. Ti potencijali stvaraju hemijske interakcije koje drže atome zajedno unutar molekule ili kristala. U mnogim jednostavnim spojevima, teorija valentne veze, model odbijanja elektronskih parova valentne ljuske (VSEPR) i koncept oksidacijskih brojeva mogu se koristiti u svrhu proučavanja molekularne strukture i sastava.

Ionska veza se gradi kada metal izgubi jedan ili više svojih elektrona, postajući pozitivno naelektrisani kation, a te elektrone prima neki nemetalni atom, postajući negativno naelektrisani anion. Dva suprotno naelektrisana iona privlače jedan drugog, a ionska veza je elektrostatička sila privlačenja između njih. Naprimjer, natrij (Na), koji je metal, gubi jedan elektron i postaje kation Na⁺ dok hlor (Cl), nemetal, dobija taj elektron i postaje anion Cl⁻. Ti ioni se drže zajedno zbog elektrostatičkog privlačenja, te se stvara spoj natrij-hlorid (NaCl), odnosno obična kuhinjska so.

U kovalentnoj vezi, jedan ili više parova valentnih elektrona dijele dva atoma: kao rezultat električki neutralna grupa povezanih atoma dobija naziv molekula. Atomi pri dijeljenju valentnih elektrona se postavljaju tako da na taj način stiču elektronsku konfiguraciju plemenitog gasa (tj. osam elektrona u vanjskoj ljusci, koja je najudaljenija od jezgra). Kada atomi teže da se kombiniraju na takav način da svaki od njih ima osam elektrona u svojoj valentnoj ljusci kaže se da oni prate pravilo okteta. Međutim, neki elementi poput vodika i litija trebaju samo dva elektrona u svojoj vanjskoj ljusci da bi dostigli takvu stabilnu konfiguraciju. Za ove atome se kaže da slijede pravilo dueta, te na taj način oni dostižu elektronsku konfiguraciju plemenitog gasa helija, koji ima dva elektrona u svojoj vanjskoj ljusci.

Slično tome, teorije iz klasične fizike se mogu koristiti za predviđanje mnogih ionskih struktura. Kod mnogo složenijih spojeva, kao što su metalni kompleksi, teorija valentne veze se može primijeniti u mnogo manjem obimu i a općenito se uzimaju alternativni pristupi poput teorije molekularnih orbitala.

Reakcija

 

Kada se hemijska supstanca transformira kao rezultat njenog međudjelovanja sa drugom supstancom ili energijom, kaže se da se odvija hemijska reakcija. Hemijska reakcija je stoga koncept povezan sa "reakcijom" supstance kada dođe u bliski dodir sa drugom supstancom, bilo u obliku smjese ili rastvora, bilo kada je izložena nekom obliku energije ili čak oboma. Kao rezultat hemijske reakcije dolazi do određene razmjene dijela energije između reaktanata reakcije kao i sa okolnim sistemom, koji može biti i određena posuda, poput laboratorijskog posuđa.

Hemijska reakcija može dovesti i do formiranja ili disocijacije molekula, tj. molekule se razbijaju dajući dvije ili više manjih molekula, a s druge strane atomi se mogu i reorganizirati unutar molekule ili među molekulama. Hemijske reakcije obično uključuju stvaranja ili pucanja hemijskih veza. Oksidacija, redukcija, disocijacija, kiselo-bazna neutralizacija i molekularno rearanžiranje su neke od često korištenih hemijskih reakcija.

Hemijska reakcija se simbolično može predstaviti pomoću hemijske jednačine. Dok je u nenuklearnim hemijskim reakcijama broj i vrsta atoma na obje strane jednačine isti, kod nuklearnih reakcija ovo pravilo važi samo za nuklearne čestice tj. protone i neutrone. Redoslijed koraka u koja se može dešavati reorganizacija hemijskih veza u toku hemijske reakcije naziva se mehanizam. Pri planiranju izvođenja neke reakcije, može biti predviđeno njeno odvijanje u nekoliko koraka, svaki od njih drugom brzinom. Tako se tokom reakcije mogu javiti i mnogi međuproizvodi reakcije, više ili manje stabilni spojevi. Mehanizmi reakcije bi trebali pokazati kinetiku i relativni omjer proizvoda reakcije. Mnogi fizikalni hemičari su specijalizirani za istraživanje i proučavanje mehanizama raznih hemijskih reakcija. Za tako nešto otkriveno je mnogo iskustvenih pravila, poput Woodward-Hoffmannovog pravila.

Prema zlatnoj knjizi IUPAC-a, hemijska reakcija se definira kao "proces koji ima za rezultat međukonverziju hemijskih vrsta." U skladu s tom definicijom, hemijske reakcije mogu biti elementarne reakcije i višefazne reakcije. Međutim, napravljeno je ograničenje, takvo da ova definicija uključuje slučajeve kada se eksperimentalno mogu utvrditi međukonverzijski konformeri. Reakcije koje se tako mogu izmjeriti obično uključuju i skup molekularnih entiteta kako je i predviđeno ovom definicijom, ali često je konceptualno uobičajeno da se ovaj pojam koristi i za promjene koje uključuju pojedinačne molekularne entitete (tj. "mikroskopske hemijske događaje").

Ioni i soli

 

Ion je naelektrisana čestica, bilo da se radi o atomu ili molekuli, koja je dobila ili izgubila jedan ili više elektrona. Kada atom "izgubi" (otpusti) elektron, onda on ima više protona od elektrona, te je atom pozitivno naelektrisan ion odnosno kation. Suprotno tome, kada atom dobije (primi) elektron, onda ima više elektrona od protona, te je on negativno naelektrisani ion odnosno anion. Kationi i anioni mogu formirati kristalnu rešetku neutralnih soli, poput iona Na⁺ i Cl⁻ koji grad natrij-hlorid odnosno NaCl. Primjeri poliatomnih iona koji se ne razdvajaju tokom kiselinsko-baznih reakcija su hidroksidi (OH⁻) i fosfati (PO₄³⁻).

Međutim, plazma koja se sastoji iz gasovite materije, također se u potpunosti ionizirana, obično zbog ekstremno visoke temperature.

Hemijski zakoni

Proučavanjem hemijskih reakcija, hemičari su došli do otkrića o pravilnostima po kojima se one odvijaju. Te pravilnosti nazvane su hemijskim zakonima, koji su postali temeljni koncepti u hemiji. Neki od njih su:

Grane hemije

Hemija se obično dijeli u nekoliko osnovnih grana. Osim toga, postoji i nekoliko osnovnih međudisciplina i još više specijaliziranih oblasti hemije.

• Analitička hemija je analiza uzoraka materijala kako bi se shvatio njihov hemijski sastav i struktura. Analitička hemija inkorporira standardizirane eksperimentalne metode u hemiji. Te metode se mogu koristiti u svim grama hemije, osim u čisto teorijskoj hemiji.
• Biohemija je proučavanje hemijskih spojeva, reakcija i interakcija među njima koji se odvijaju u živim organizmima. Biohemija i organska hemija su veoma blisko povezani, kao npr. u medicinskoj hemiji i neurohemiji. Biohemija je također povezana i sa molekularnom biologijom i genetikom.
• Neorganska hemija je proučavanje osobina i reakcija neorganskih spojeva. Razlika između organske i neorganske discipline nije apsolutna i u mnogim stvarima se preklapaju, a najviše u podoblasti organometalne hemije.
• Nauka o materijalima je dobijanje, karakteriziranje i razumijevanje supstanci sa korisnim funkcijama. Ovo polje predstavlja novu širinu studiranja u fakultetskim programima, a integrira elemente iz svih klasičnih područja hemije sa posebnim osvrtom na temeljne probleme koji su jedinstveni za materijale. Osnovni sistemi proučavanja uključuju hemiju kondenziranih faza (čvrstih tijela, polimera i tekućina) i interfejse između različitih faza.
• Neurohemija je grana hemija koja proučava neurohemikalije, uključujući transmitere, peptide, bjelančevine, masti, šećere i nukleinske kiseline, njihovo međudjelovaje te uloge koje igraju u stvaranju, održavanju i promjenama u nervnom sistemu.
• Nuklearna hemija proučava kako se spajaju subatomske čestice dajući jezgro atoma. Moderna transmutacija je posebno obimna komponenta nuklearne hemije, a tabela nuklida je jedan od značajnijih rezultata i alata u ovom polju.
• Organska hemija je izučavanje strukture, osobine, sastava, mehanizama i reakcija organskih spojeva. Organski spoj se definira kao spoj koji je zasnovan na ugljikovom lancu.
• Fizikalna hemija je grana hemije o fizikalnoj i fundamentalnoj bazi hemijskih sistema i procesa. Konkretno, energetika i dinamika takvih sistema i procesa predstavlja osnovno zanimanje fizikalnih hemičara. Važna područja iz ove oblasti su hemijska termodinamika, hemijska kinetika, elektrohemija, statistička mehanika, spektroskopija, te od nedavno i astrohemija. Fizikalna hemija se znatno preklapa sa molekularnom fizikom. Međutim, fizikalna hemija uključuje korištenje infinitezimalnog računa pri deriviranju jednačina. Obično je povezana i sa kvantnom i teorijskom hemijom. Fizikalna hemija je posebna grana različita od hemijske fizike, ali se i s njom dosta preklapa.
• Teorijska hemija je oblast hemije koja izučava fundamentalne teorijske postavke (obično zajedno sa matematikom ili fizikom. U užem smislu primjena kvantne mehanike u hemiji naziva se još i kvantna hemija. Od kraja Drugog svjetskog rata, razvoj računara je omogućio sistematski razvoj računarske hemije, koja je zapravo vještina razvoja i primjene računarskih programa u svrhu rješavanje hemijskih problema. Teorijska hemija se znatno preklama sa fizikom kondenzirane materije i molekularnom fizikom (i teorijski i eksperimentalno).

Druge hemijske grane uključuju agrohemiju, astrohemiju (i kosmohemiju), atmosfersku hemiju, hemijski inženjering, hemijsku biologiju, hemoinformatiku, elektrohemiju, hemiju okoline, femtohemiju, hemiju arome, hemiju toka, geohemiju, "zelenu" hemiju, histohemiju, historiju hemije, hemiju hidrogenizacije, imunohemiju, hemiju okeana i mora, nauku o materijalima, matematičku hemiju, mehanohemiju, medicinsku hemiju, molekularnu biologiju, molekularnu mehaniku, nanotehnologiju, hemiju prirodnih proizvoda, enologiju, organometalnu hemiju, petrohemiju, farmakologiju, fotohemiju, fizikalnu organsku hemiju, fitohemiju, hemiju polimera, radiohemiju, hemiju čvrstog stanja, sonohemiju, supramolekularnu hemiju, hemiju površine, sintetičku hemiju, termohemiju, i mnoge druge.

Hemijska industrija

Hemijska industija predstavlja važnu ekonomsku aktivnost širom svijeta. Prema podacima iz 2013. godine, 50 najvećih svjetskih proizvođača hemijskih proizvoda imalo je prihod od 980,5 milijardi američkih dolara, sa stopom profita od 10,3%.

• Burrows, Andrew; et al. (2009). Chemistry³. Italija: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-927789-6. CS1 održavanje: ref=harv (link)
• Housecroft, Catherine E.; Sharpe, Alan G. (2008). Inorganic Chemistry (3. izd.). Harlow, Essex: Pearson Education. ISBN 978-0-13-175553-6.CS1 održavanje: ref=harv (link)
• Atkins, Peter; de Paula, Julio (2009) [1992]. Elements of Physical Chemistry (5. izd.). New York: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-922672-6. CS1 održavanje: nepreporučeni parametar (link) CS1 održavanje: ref=harv (link)
• Atkins, P.W. Galileo's Finger (Oxford University Press) ISBN 0-19-860941-8
• Atkins, P.W. Atkins' Molecules (Cambridge University Press) ISBN 0-521-82397-8
• Kean, Sam. The Disappearing Spoon - and other true tales from the Periodic Table (Black Swan) London, 2010 ISBN 978-0-552-77750-6
• Levi, Primo The Periodic Table (Penguin Books) ISBN 978-0-14-139944-7
• Stwertka, A. A Guide to the Elements (Oxford University Press) ISBN 0-19-515027-9
• "Dictionary of the History of Ideas". Arhivirano s originala 10. 3. 2008. Pristupljeno 23. 4. 2015.CS1 održavanje: bot: nepoznat status originalnog URL-a (link)
• Atkins, P.W., Overton, T., Rourke, J., Weller, M. i Armstrong, F. Shriver and Atkins inorganic chemistry (4. izd.) 2006 (Oxford University Press) ISBN 0-19-926463-5
• Chang, Raymond. Chemistry 6. izd. Boston: James M. Smith, 1998. ISBN 0-07-115221-0.
• Voet i Voet Biochemistry (Wiley) ISBN 0-471-58651-X
• Atkins, P.W. (2001): Physical Chemistry (Oxford University Press) ISBN 0-19-879285-9
• Atkins, P.W. et al. Molecular Quantum Mechanics (Oxford University Press)
• McWeeny, R. Coulson's Valence (Oxford Science Publications) ISBN 0-19-855144-4
• Pauling, L. The Nature of the chemical bond (Cornell University Press) ISBN 0-8014-0333-2
• Pauling, L., and Wilson, E. B. Introduction to Quantum Mechanics with Applications to Chemistry (Dover Publications) ISBN 0-486-64871-0
• Smart i Moore Solid State Chemistry: An Introduction (Chapman and Hall) ISBN 0-412-40040-5
• Stephenson, G. Mathematical Methods for Science Students (Longman) ISBN 0-582-44416-0