La chimica (da kemà, il libro dei segreti dell'arte egizia, da cui l'arabo "al-kimiaa" "الكيمياء") è la scienza fondamentale-naturale che studia la composizione, la struttura e le proprietà della materia in forma di elementi, specie, composti, miscele o altre sostanze, e i cambiamenti che questi subiscono durante le reazioni e il loro rapporto con l'energia chimica. Studia anche le loro associazioni tramite legami chimici che generano in particolare composti molecolari stabili o intermedi più o meno instabili.
Linus Pauling la definì "la scienza che studia le sostanze, la loro struttura (tipi e forme di disposizione degli atomi), le loro proprietà e le reazioni che le trasformano in altre sostanze in riferimento al tempo". La chimica, attraverso una delle sue branche conosciute come chimica supramolecolare, si occupa principalmente di gruppi sopraatomici, come gas, molecole, cristalli e metalli, studiandone la composizione, le proprietà statistiche, le trasformazioni e le reazioni, sebbene la chimica generale includa anche la comprensione, le proprietà e le interazioni della materia su scala atomica.
Nell'ambito della sua materia, la chimica occupa una posizione intermedia tra la fisica e la biologia.Carsten Reinhardt. Chemical Sciences in the 20th Century: Bridging Boundaries. Wiley-VCH, 2001. ISBN 3-527-30271-9. pp. 1–2.
È spesso chiamata la "scienza centrale" (in inglese "central science") perché connette le altre scienze naturali, ovvero la fisica (attraverso la chimica fisica), la biologia (attraverso la biochimica), l'astronomia (attraverso l'astrochimica) e la geologia (attraverso la geochimica).Theodore L. Brown, H. Eugene Lemay, Bruce Edward Bursten, H. Lemay. Chemistry: The Central Science. Prentice Hall; 8 edition (1999). ISBN 0-13-010310-1. Pages 3-4.Carsten Reinhardt. Chemical Sciences in the 20th Century: Bridging Boundaries. Wiley-VCH, 2001. ISBN 3-527-30271-9. Pages 1-2. Inoltre, fornisce una base per comprendere le discipline scientifiche di base e applicate a un livello fondamentale. Ad esempio, la chimica spiega gli aspetti della crescita delle piante (botanica), la formazione di rocce ignee (geologia), come si forma l'ozono atmosferico e come si degradano gli inquinanti ambientali (ecologia), le proprietà del suolo sulla luna (cosmochimica), come funzionano i farmaci (farmacologia) e come raccogliere prove del DNA sulla scena del crimine (scienza forense). La maggior parte dei processi chimici può essere studiata direttamente in laboratorio, utilizzando una serie di tecniche spesso consolidate, sia per la manipolazione dei materiali che per la comprensione dei processi sottostanti. Un approccio alternativo è fornito dalle tecniche di modellazione molecolare, che traggono conclusioni dai modelli computazionali.
La chimica affronta argomenti come il modo in cui gli atomi e le molecole interagiscono tramite legami chimici per formare nuovi composti chimici. Esistono due tipi di legami chimici: Primari: legami covalenti, in cui gli atomi condividono uno o più elettroni; legami ionici, in cui un atomo dona uno o più elettroni a un altro atomo per produrre ioni (cationi e anioni); e legami metallici. Secondari: legami a idrogeno; legami con le forze di van der Waals; interazioni ione-ione; e interazioni ione-dipolo.
La chimica moderna si è sviluppata dall'alchimia, una pratica protoscientifica di natura esoterica, ma anche sperimentale, che combinava elementi di chimica, fisica, biologia, metallurgia e medicina.
La sistematizzazione divenne evidente con la creazione della tavola periodica degli elementi e l'introduzione della teoria atomica, poiché i ricercatori svilupparono una comprensione fondamentale degli stati della materia, degli ioni, dei legami chimici e delle reazioni chimiche. A partire dalla prima metà dell'Ottocento, lo sviluppo della chimica è stato accompagnato dalla comparsa e dall'espansione di un'industria chimica che è rilevante per l'economia attuale e la qualità della vita.
Le discipline della chimica sono raggruppate secondo la classe di materia oggetto di studio o il tipo di studio svolto. Tra questi la chimica inorganica, che studia la materia inorganica; chimica organica, che studia la materia organica; la biochimica, che studia le sostanze esistenti negli organismi biologici; chimica fisica, che comprende gli aspetti strutturali ed energetici dei sistemi chimici su scala macroscopica, molecolare e atomica, e chimica analitica, che analizza campioni di materia e cerca di comprenderne la composizione e la struttura attraverso vari studi e reazioni.
Descrizione
La chimica ha interessato, anche per motivi pratici derivanti dalle sue applicazioni tecnologiche, le innumerevoli popolazioni dell'umanità fin dai tempi antichi. Dal II secolo a.C. si sviluppò, a partire dall'Egitto tolemaico, lalchimia, un insieme di conoscenze sulla materia e le sue trasformazioni legate a convinzioni filosofiche ed esoteriche; da essa derivò la chimica moderna (in seguito alla rivoluzione scientifica, e più precisamente alla rivoluzione chimica alla fine del XVIII secolo). Anche nel periodo seguente la chimica continuò ad evolversi, perché sempre nuove scoperte ne ampliarono i campi di interesse e i metodi impiegati.
Oggetti di studio della chimica sono principalmente: le proprietà dei costituenti della materia (atomi); le proprietà delle entità molecolari, ad esempio ioni o molecole, costituite da singoli atomi o dalla combinazione di più atomi; le proprietà delle specie chimiche (ciascuna delle quali caratterizzata da una specifica tipologia di entità molecolare e da particolari proprietà che la distinguono dalle altre specie chimiche); le proprietà delle miscele e dei materiali costituiti da una o più specie chimiche.
Tale studio della materia non è limitato alle sue proprietà e struttura in un dato istante, ma riguarda anche le sue trasformazioni, dette reazioni chimiche (che comportano la rottura dei legami che tengono uniti gli atomi appartenenti alla stessa entità molecolare e la formazione di nuovi legami per dare origine a nuove entità molecolari).Non bisogna confondere le trasformazioni di tipo chimico da quelle di tipo fisico. La differenza principale tra i due tipi di trasformazione risiede nell'entità delle interazioni che si realizzano tra i costituenti della materia: nel caso di rottura e/o creazione di legami meno energetici (quali ad esempio legami di van der Waals e forze di London) si parla di trasformazione fisica (ad esempio miscelazione, assorbimento gas-liquido, distillazione, adsorbimento fisico), mentre nel caso di rottura e/o creazione di legami più energetici (quali ad esempio legami covalenti e legami ionici) si parla di trasformazione chimica.
Sono studiati anche gli effetti di tali proprietà e le interazioni tra i componenti della materia su quelle degli oggetti e della materia con cui comunemente abbiamo a che fare, e le relazioni tra di essi, il che determina un'ampia importanza pratica di tali studi. Si tratta quindi di un campo di studi molto vasto, i cui settori sono tradizionalmente suddivisi in base al tipo di materia di cui si occupano o al tipo di studio.
La conoscenza della struttura elettronica degli atomi è alla base della chimica convenzionale, mentre la conoscenza della struttura del nucleo atomico e delle sue trasformazioni spontanee ed indotte è alla base della chimica nucleare.
Storia
Due erano le principali scuole di pensiero della filosofia naturale elaborata dai Greci: Democrito sosteneva che la natura fosse formata da corpuscoli indivisibili (gli atomi) che si uniscono e separano in uno spazio vuoto, mentre Aristotele ipotizzava la struttura continua della materia risultante dalla combinazione degli elementi acqua, aria, terra e fuoco.
Tra il II e V secolo d.C. si sviluppa ad Alessandria d'Egitto l'alchimia, che conservava le origini filosofiche unite a una forte connotazione esoterica. In questo contesto l'alchimista, o "mago naturale", si poneva come tramite tra macrocosmo e microcosmo, divino e umano. Due erano gli obiettivi fondamentali degli alchimisti, da realizzare con l'ausilio della pietra filosofale: la trasmutazione dei metalli in oro, che corrispondeva anche all'elevazione verso la perfezione delle qualità spirituali umane, e la possibilità di curare ogni genere di malattia e creare la vita. Nel XVI secolo assumeva autonomia propria la branca definita iatrochimica, che ebbe i maggiori contributori in Paracelso e Jean Baptiste van Helmont e che si prefissava di correlare i processi chimici che avvengono all'interno dell'organismo umano con gli stati patologici e con i possibili rimedi.
Le basi per lo sviluppo della chimica moderna si pongono nel XVII secolo, con la prima definizione delle reazioni chimiche (nel Tyrocinium Chymicum (1610) di Jean Béguin) e il graduale sviluppo del metodo sperimentale, grazie a diversi scienziati tra i quali spicca Robert Boyle. Lo spartiacque simbolico tra alchimia e chimica può essere considerato l'anno 1661, con l'uscita del libro di Boyle Il chimico scettico (The Sceptical Chymist), in cui vengono introdotti i concetti di elemento chimico e composto chimico..
Successivamente il lavoro di Antoine Lavoisier, che enunciò per primo la legge della conservazione della massa e confutò la teoria del flogisto, segnò il definitivo superamento dell'alchimia. Nel 1807 Jöns Jacob Berzelius fu uno dei primi a utilizzare il termine "chimica organica" in riferimento alla chimica che caratterizzava i composti prodotti dal regno animale, contrapposti a quelli di origine minerale e di pertinenza della chimica inorganica; sarà Friedrich Wöhler nel 1828 a dimostrare che i composti organici possono essere ottenuti anche da sintesi in laboratorio, riuscendo a sintetizzare l'urea a partire da sostanze inorganiche.
Nel 1869 Dmitrij Mendeleev e Julius Lothar Meyer ordinarono gli elementi chimici sistemandoli all'interno della tavola periodica, disposti ordinatamente in base al loro numero atomico. Nel 1937 l'italiano Emilio Segrè scoprì il tecnezio, primo elemento chimico artificiale, e negli anni seguenti verranno sintetizzati artificialmente molti altri nuovi elementi che andranno ad arricchire la tavola periodica.
Principali concetti della chimica Atomi e molecole
In natura esistono 92 elementi e a questi se ne aggiungono (per ora) altri 28 creati artificialmente. Ognuno di essi corrisponde ad un atomo con un certo numero di protoni ed ha struttura e proprietà differenti.
Quando gli atomi si combinano fra loro si generano delle molecole.IUPAC Gold Book, "molecule" Queste ultime possono essere costituite da atomi tutti uguali fra loro, formando quelle che vengono definite le sostanze semplici (ad esempio N, O e S), mentre le molecole costituite da atomi diversi sono caratteristiche delle sostanze composte (ad esempio HO, CHO e HSO).
Per indicare la quantità di sostanza si fa uso della "mole".IUPAC Gold Book, "mole" Una mole di sostanza risulta costituita da un numero di entità molecolari (ad esempio atomi o molecole) pari al valore numerico della costante di Avogadro ()IUPAC Gold Book, "Avogadro constant". Considerando che una mole di acqua pesa circa 18 grammi, è facile intuire che la materia che ci circonda è costituita da un enorme numero di particelle elementari.
Legami chimici e forze di attrazione intermolecolare
Gli atomi possono legarsi fra loro, e la forza di natura elettrostatica che li unisce viene definita legame chimico. Tale legame, caratterizzato da intensità differente in relazione al composto a cui dà origine, è fondamentale nel conferire la particolare reattività e stabilità del composto stesso, nonché nel determinarne la struttura e geometria molecolare caratteristica.