صنایع شیمیایی

 

  شیمی در یک نگاه

شیمی مطالعهٔ ساختار، خواص، ترکیبات، و تغییر شکل مواد است. این علم مربوط می‌شود به عناصر شیمیایی و ترکیبات شیمیایی که شامل اتمها، مولکولها، و کنش و واکنش میان آنهاست. جدول تناوبی و فهرست ترکیبات را هم مشاهده کنید.

واژه شیمی خود داستان درازی دارد.ریشه این نام در واژه کیمیاست. خاستگاه واژه کیمیا را برخی از یونانی دانسته‌اند و چیستی کار کیمیاگری دگرساختن مس به طلا بود.این واژه و داستان دانش شگفت انگیز پشت آن به همراه دانشش به عربی وارد شد و اروپاییان با این واژه و دانش آن از راه عرب ها آشنا شدند و این دانش را با نام alchemy شناختند.آنگاه آن را در میان خود پروردند تا در سده‌های نزدیک به ریخت فرانسه شیمی به زبان ما بازگشت. دانش شیمی به دو گرایش شیمی محض و شیمی کاربردی تقسیم می‌شود.

 

نگاه اجمالی

 

تیوری اتمی پایه و اساس علم شیمی است. این تیوری بیان می‌دارد که تمام مواد از واحدهای بسیار کوچکی به نام اتم تشکیل شده‌اند. یکی از اصول و قوانینی که در مطرح شدن شیمی به عنوان یک علم تأثیر به‌سزایی داشته، اصل بقای جرم است. این قانون بیان می‌کند که در طول انجام یک واکنش شیمیایی معمولی، مقدار ماده نیز تغییر نمی‌کند. (امروزه فیزیک مدرن ثابت کرده که در واقع این انرژی است که بدون تغییر می‌ماند و همچنین انرژی و جرم با یکدیگر رابطه دارند.)

 

این مطلب به طور ساده به این معنی است که اگر ده‌هزار اتم داشته باشیم و مقدار زیادی واکنش شیمیایی انجام پذیرد، در پایان ما همچنان بطور دقیق ده‌هزار اتم خواهیم داشت. اگر انرژی از دست رفته یا به‌دست‌آمده را مد نظر قرار دهیم، مقدار جرم نیز تغییر نمی‌کند. شیمی کنش و واکنش میان اتم‌ها را به تنهایی یا در بیشتر موارد به‌همراه دیگر اتم‌ها و به‌صورت یون یا مولکول (ترکیب) بررسی می‌کند.

 

این اتم‌ها اغلب با اتم‌های دیگر واکنش‌هایی را انجام می‌دهند. (برای نمونه زمانی‌که آتش چوب را می‌سوزاند ترکیبی است از اتم‌های اکسیژن موجود در هوا و اتم‌های کربن و هیدروژن درون چوب). گاهی اوقات نیز نور بر آنها تأثیر می‌گذارد(فتوکاتالیست). (یک عکس بر اثر تغییراتی که نور بر روی مواد شیمیایی فیلم عکاسی ایجاد می‌کند شکل می‌گیرد.)

 

یکی از کشفیات بنیادین و جالب این بود که اتم‌ها روی‌هم‌رفته همیشه به نسبت برابر با یکدیگر ترکیب می‌شوند. سیلیس دارای ساختمانی است که نسبت اتم‌های سیلیسیوم به اکسیژن در آن یک به دو است. امروزه ثابت شده است که استثناهایی در زمینهٔ قانون نسبت‌های معین وجود دارد.

 

یکی دیگر از کشفیات کلیدی شیمی این بود که زمانیکه یک واکنش شیمیایی رخ می‌‌دهد، مقدار انرژی که بدست می‌آید یا از دست می‌رود همواره یکسان است. این امر ما را به مفاهیم مهمی مانند تعادل ، ترمودینامیک و دینامیک می‌‌رساند.

 

شیمی فیزیک بر پایهٔ فیزیک پیشرفته (مدرن) بنا شده است. اصولاً می‌توان تمام سیستم‌های شیمیایی را با استفاده از تیوری مکانیک کوانتوم شرح داد. این تیوری از لحاظ ریاضی پیچیده بوده و عمیقاً شهودی است. به هر حال در عمل و بطور واقعی تنها بررسی سیستم‌های سادهٔ شیمیایی قابل بررسی با مفاهیم مکانیکی کوانتوم امکان‌پذیر است و در اکثر مواقع باید از تقریب استفاده کرد(مانند تیوری کاری دانسیته). بنابراین درک کامل مکانیک کوانتوم برای تمامی مباحث شیمی کاربرد ندارد؛ زیرا نتایج مهم این تیوری (بخصوص اربیتال اتمی) با استفاده از مفاهیم ساده‌تری قابل درک و به‌کارگیری هستند.

 

با اینکه در بسیاری موارد ممکن است مکانیک کوانتوم نادیده گرفته شود، مفهوم اساسی که پشت آن است، یعنی کوانتومی کردن انرژی، چنین نیست. شیمی‌دان‌ها برای بکارگیری کلیه روش‌های طیف نمایی به اثرات و نتایج کوانتوم وابسته‌اند، هرچند که ممکن است بسیاری از آنها از این امر آگاه نباشند. علم فیزیک هم ممکن است مورد بی توجهی واقع شود، اما به هر حال برآیند نهایی آن (مانند رزونانس مغناطیسی هسته‌ای) پژوهیده و مطالعه می‌شود.

 

یکی دیگر از تیوری‌های اصلی فیزیک مدرن که نباید نادیده گرفته شود نظریه نسبیت است. این نظریه که از دیدگاه ریاضی پیچیده است، شرح کامل فیزیکی علم شیمی است. خوشبختانه مفاهیم نسبیتی تنها در برخی از محاسبات خیلی دقیق ساختمان هسته، به‌ویژه در عناصر سنگین‌تر، کاربرد دارند و در عمل تقریباً با شیمی پیوند ندارند.

 

 شیمی نظری

 

شیمی را می‌توان به صورت علمی که با توصیف ویژگیها ، ترکیب و تبدیلات ماده سروکار دارد، تعریف کرد. اما این تعریف ، نارساست. این تعریف ، بیانگر روح شیمی نیست. شیمی همچون دیگر علوم ، سازمانی زنده و در حال رشد است، نه انباره‌ای از اطلاعات. علم ، خاصیت تکوین خودبخود دارد. ماهیت هر مفهوم تازه آن ، خود محرک مشاهده و آزمایشی جدید است که به بهبود بیش از پیش آن مفهوم و سرانجام به توسعه دیگر مفاهیم می‌انجامد.

از آنجا که زمینه‌های علمی همپوشانی دارند، مرز متمایزی میان آنها نمی‌توان یافت و در نتیجه مفاهیم و روشهای علمی کاربرد همگانی پیدا می‌کنند. در پرتو این گونه رشد علمی ، دیگر تعجبی ندارد که یک پژوهش علمی معین ، بارها از مرزهای مصنوعی و پرداخته ذهن بشر بگذرد.

 

  علم شیمی با ترکیب و ساختار مواد و نیروهایی که این ساختارها را بر پا نگه داشته است، سروکار دارد. خواص فیزیکی مواد از این رو مورد مطالعه قرار می‌گیرند که سرنخی از مشخصات ساختاری آنها را بدست می‌دهند و به عنوان مبنایی برای تعیین هویت و طبقه‌بندی بکار می‌روند و کاربردهای ممکن هر ماده بخصوص را مشخص می‌کنند. اما واکنشهای شیمیایی ، کانون علم شیمی هستند. توجه علم شیمی به هر گوشه قابل تصوری از این تغییر و تبدیلها کشیده می‌شود و شامل ملاحظاتی است از این قبیل:

 

• شرح تفصیلی درباره چگونگی واکنشهای و سرعت پیشرفت آنها
• شرایط لازم برای فراهم کردن تغییرات مطلوب و جلوگیری از تغییرات نامطلوب
• تغییرات انرژی که با واکنشهای شیمیایی همراه است.
• سنتز موادی که در طبیعت صورت می‌گیرد.
• سنتز موادی که مشابه طبیعی ندارند.
• روابط کمّی جرمی بین مواد در تغییرات شیمیایی.

 

 شیمی جدید که در اواخر سده هیجدهم ظاهر شده است، طی صدها سال ، توسعه یافته است. داستان توسعه شیمی را تقریبا به پنج دوره می‌توان تقسیم کرد:

فنون عملی

این فنون تا 600 سال قبل از میلاد مسیح رایج بوده است. تولید فلز از کانه‌ها ، سفالگری ، تخمیر ، پخت و پز ، تهیه رنگ و دارو فنونی باستانی است. شواهد باستان شناسی ثابت می‌کند که ساکنان مصر باستان و بین‌النهرین در این حرفه‌ها مهارت داشته‌اند. ولی چگونه و چه وقت این حرفه‌ها برای نخستین بار پیدا شده‌اند، معلوم نیست.

در این دوره ، فنون مذکور که در واقع فرایندهای شیمیایی هستند، توسعه بسیار یافته‌اند. اما این توسعه و پیشرفت ، تجربی بوده است، بدین معنی که مبنای آن تنها تجربه عملی بوده، بدون آنکه تکیه گاهی بر اصول شیمیایی داشته باشد. فلزکاران مصری می‌دانستند که چگونه از گرم کردن کانه مالاشیت با زغال ، مس بدست آورند، ولی نمی‌دانستند و در صدد دانستن آن هم نبودند که چرا این فرایند موثر واقع می‌شود و آنچه در آتش صورت می‌گیرد، واقعا چیست؟

نظریه‌های یونانی

 

این نظریه‌ها از 600 تا 300 سال قبل از میلاد عنوان شدند. جنبه فلسفی یا جنبه نظری شیمی حدود 600 سال قبل از میلاد در یونان باستان آغاز شد. اساس علم یونانی ، جستجوی اصولی بود که از طریق آن ادراکی از طبیعت حاصل شود. دو نظریه یونانی در سده‌های واپسین اهمیت فراوان یافت:

 

• این مفهوم که تمام مواد موجود در زمین ، ترکیبی از چهار عنصر)خاک ، باد ، آتش و آب) است، به نسبتهای گوناگون ، از اندیشه‌های فیلسوفان یونانی این دوره نشات یافته است.
• این نظریه که ماده از آحاد مجزا و جدا از همی به نام اتم ترکیب یافته است، بوسیله لوسیپوس پیشنهاد شد و دموکرتیس آن را در سده پنجم ق.م. توسعه داد.
  
  نظریه افلاطون این بود که اتمهای یک عنصر از لحاظ شکل با اتمهای عنصر دیگر تفاوت دارد. علاوه بر این ، او باور داشت که اتم‌های یک عنصر می‌توانند با تغییر شکل به اتمهایی از نوع دیگر تغییر یابند یا استحاله پیدا کنند. مفهوم استحاله در نظریه‌های ارسطو نیز منعکس است.

ارسطو (که به وجود اتمها معتقد نبود) می‌گفت که عناصر و بنابراین تمام مواد از ماده اولیه یکسانی ترکیب یافته‌اند و تفاوت آنها فقط از لحاظ صورتهایی است که این ماده اولیه به خود می‌گیرد. به نظر ارسطو ، صورت ماده نه تنها شکل ، بلکه کیفیتها (از لحاظ رنگ ، سختی و غیره) را نیز دربر می‌گیرد و همین صورت است که ماده‌ای را از ماده دیگر متمایز می‌کند. او می‌گفت که تغییر صورت پیوسته در طبیعت صورت می‌گیرد و تمام اشیای مادی (جاندار و بی جان) از صورتهای نابالغ به صورتهای بالغ رشد و تکامل می‌یابند.

در سراسر قرون وسطی باور این بود که کانی‌ها رشد می‌کنند و هرگاه کانیها از معادن استخراج شوند، معادن بار دیگر از کانیها پر می‌شوند.

 کیمیاگری

در سده هفتم میلادی ، مسلمانان مراکز تمدن هلنی (از جمله مصر در 640 میلادی) را تسخیر کردند و کیمیاگری بدست آنها افتاد. در سده‌های دوازدهم و سیزدهم ، کیمیاگری به تدریج به اروپا راه یافت و آثار عربی به لاتین برگردانده شد. کیمیاگری تا سده هفدهم دوام یافت. در این زمان نظریه‌ها و نگرشهای کیمیاگران بتدریج زیر سوال قرار می‌گرفت.

کار رابرت بویل که اثر معروف خود به نام شیمیدان شکاک را در 1661 منتشر کرد، در این باره ارزشمند است. گرچه بویل باور داشت که استحاله فلزات پست به طلا امکان‌پذیر است، ولی او اندیشه کیمیاگری را مورد انتقاد شدید قرار داد. بویل باور داشت که نظریه شیمیایی باید حاصل شواهد تجربی باشد.

 فلوژیستون

 

این نظریه از 1650 تا 1790 میلادی رواج داشت. تقریبا در سراسر سده هجدهم ، نظریه فلوژیستون نظریه‌ای مسلط در شیمی بود. این نظریه که بعدها معلوم شد نظریه‌ای نادرست است، در اصل کار "گئورک ارنست اشتال" بود. فلوژیستون «اصل آتش» ، جز تشکیل دهنده ماده‌ای دانسته می‌شد که متحمل سوختن می‌شود. چنین پنداشته می‌شد که یک جسم بر اثر سوختن ، فلوژیستون خود را از دست می‌دهد و به صورت ساده‌تری کاهیده می‌شود. باور این بود که نقش هوا در عمل سوختن ، انتقال فلوژیستون آزاد شده است.

بنا به نظریه فلوژیستون چوب در اثر سوختن به خاکستر و فلوژیستون (که بوسیله هوا جدا می‌شود)تبدیل می‌گردد. طبق نظریه فلوژیستون ، چوب ، ماده مرکبی است که از خاکستر و فلوژیستون ترکیب یافته است. همچنین در مورد عمل تکلیس ، این نظریه عنوان می‌دارد که فلز ، ماده مرکبی است که از یک کالکس و فلوژستیون ترکیب یافته است.

در نظریه فلوژیستون ، ذاتا" مشکلی است که هرگز توضیح کافی درباره آن داده نشد. وقتی چوب می‌سوزد، فرض بر این است که فلوژیستون از دست می‌دهد و نتیجه آن خاکستری است که وزن آن کمتر از قطعه چوب اصلی است. اما در عمل تکلیس ، از دست رفتن فلوژیستون با افزایش وزن همراه است، چون کالکس یا اکسید فلزی ، وزنش بیشتر از فلز اصلی است. طرفداران نظریه فلوژیستون این مشکل را تشخیص داده بودند، لیکن تقریبا در سراسر سده هیجدهم ، اهمیت توزین و اندازه گیری دانسته نشد.

شیمی جدید

 کار آنتوان لاوازیه در اواخر سده هیجدهم را معمولا آغاز شیمی جدید می‌دانند. "لاوازیه" ،‌ با تعمق کافی ، دست‌اندرکار براندازی نظریه فلوژیستون شد و انقلابی در شیمی پدید آورد. او که ترازوی شیمیایی بسیار استفاده می‌کرد، با تکیه بر نتایج آزمایشهای کمی ، به توضیح تعدادی از پدیده‌های شیمیایی دست یافت.

قانون پایستاری جرم می‌گوید که در جریان یک واکنش شیمیایی تغییر محسوسی در جرم صورت نمی‌گیرد. به گفته دیگر ، جرم کل تمام موادی که در واکنش شیمیایی وارد می‌شوند، برابر جرم تمام محصولات واکنش است. این قانون ، توسط لاوازیه به وضوح بیان شد. برای لاوازیه نظریه فلوژیستون امری ناممکن بود.

اقداماتی که دانشمندان از سالهای 1970 به بعد به عمل آورده‌اند، با استفاده از کتاب لاوازیه با عنوان « رساله‌ای مقدماتی درباره شیمی» که در سال 1789 منتشر شد، بیان شده است. آنچه در دو سده پس از لاوازیه درباره شیمی دانسته شده، بسیار بیشتر از بیست سده پیش از اوست. علم شیمی از آن زمان به بعد ، تدریجا در پنج شاخه اصلی بسط یافت. (البته این تقسیمات اختیاری است و به طبقه بندی آنها انتقادهایی وارد است.)

 بخش‌های اصلی دانش شیمی عبارتند از:

 

* شیمی تجزیه، که به تعیین ترکیبات مواد و اجزای تشکیل دهنده آن‌ها می‌پردازد.

* شیمی آلی، که به مطالعهٔ ترکیبات کربن‌دار، غیر از ترکیباتی چون دو اکسید کربن (دی اکسید کربن) می‌پردازد.

* شیمی معدنی، که به اکثریت عناصری که در شیمی آلی روی آنها تاکید نشده و برخی خواص مولکولها می‌‌پردازد.

* شیمی فیزیک، که پایه و اساس کلیهٔ شاخه‌های دیگر را تشکیل می‌دهد، و شامل ویژگی‌های فیزیکی مواد و ابزار تیوری بررسی آنهاست.

 

دیگر رشته‌های مطالعاتی و شاخه‌های تخصصی که با شیمی پیوند دارند عبارتند از: علم مواد، مهندسی شیمی، شیمی بسپار، شیمی محیط زیست و داروسازی.

 

* روش علمی

* واحد SI

* نمادهای مهم

* اتم

* اربیتال‌ها

* جدول تناوبی عناصر شیمیایی

* فهرست عناصر شیمیایی

* همپار (ایزومر)

* آلوتروپی

* همسانگرد (ایزوتروپ)

* یون

* ساختمان الکترون

* روندهای دوره‌ای

o الکترونگاتیویته (الکترون گیر)

o شعاع اتمی، شعاع یونی

o انرژی یونش

o کشش الکترون (نیرویی که موجب همبستگی اتم‌ها در مولکول می‌شود)

* گروه‌های عناصر گروه P، گروه D، گروه F، [[گروه G]

 

شیمی علم به هوشان الافانی مثل ما هست

 

شاخه‌های شیمی

* شیمی آلی

* شیمی معدنی

* شیمی تجزیه

* شیمی فیزیک

 

و همچنین:

 

·        زیست‌شیمی (بیوشیمی)

 

شیمی آلی

 

شیمی آلی بخشی از دانش شیمی است که بررسی هیدروکربن‌ها می‌‌پردازد. به همین دلیل به آن شیمی ترکیبات کربن نیز گفته می‌شود . پسوند «آلی» یادگار روزهایی است که مواد شیمیایی را بسته به این که از چه منبعی به دست می‌آمدند، به دو دسته معدنی و آلی تقسیم می‌کردند.

مواد معدنی آنهایی بودند که از معادن استخراج می‌شدند و مواد آلی آنهایی که از منابع گیاهی یا حیوانی یعنی از موادی که توسط موجودات زنده تولید می‌شدند، به دست می‌آمدند.

در واقع تا پیرامون سال ۱۸۵۰ بسیاری از شیمیدانان معتقد بودند، که خاستگاه مواد آلی باید موجودات زنده باشند و در نتیجه این مواد را هرگز نمی‌توان از مواد معدنی سنتز نمود.

موادی که از منابع آلی به دست می‌آیند، در یک خصوصیت مشترکند: همه آنها دارای عنصر کربن هستند.

حتی پس از آن که مشخص شد این مواد لزوماً نبایستی از منابع زنده به دست آیند و می‌توان آنها را در آزمایشگاه سنتز کرد، باز هم مناسبت داشت تا نام آلی برای توصیف آنها و موادی همانند آنها حفظ شود. این تقسیم‌بندی بین مواد معدنی و آلی تا به امروز حفظ شده است.

امروزه اگر چه هنوز بسیاری از ترکیبات کربن به آسانی از منابع گیاهی و جانوری بدست می‌آیند، ولیکن بسیاری از آنها نیز سنتز می‌شوند. از ترکیبات گاهی از مواد معدنی مانند کربناتها و سیانیدها سنتز می‌شوند ولی غالباً از سایر مواد آلی تهیه می‌گردند.

دو منبع بزرگ مواد آلی که از آنها مواد آلی ساده تأمین می‌شوند، نفت و ذغال سنگ است. (هر دو اینها از مفهوم قدیمی «آلی» بوده و فراورده تجزیه (کافت) گیاهان و جانوران هستند). این ترکیبات ساده به عنوان مصالح ساختمانی، در ساختن ترکیبات بزرگ‌تر و پیچیده‌تر مصرف می‌شوند.

نفت و زغال سنگ سوختهای فسیلی هستند که در طی هزاران سال بر روی هم انباشته شده وغیر قابل جایگزینی هستند. این مواد — بویژه نفت — جهت رفع نیازهای انرژی که به طور دایم در حال افزایش است، با سرعت خطرناکی مصرف می‌گردند. امروزه کمتر از ۱۰٪ نفت برای ساختن مواد شیمیایی مصرف می‌شود و قسمت اعظم آن برای تولید انرژی سوزانده می‌شود. خوشبختانه منابع دیگری برای ایجاد نیرو از قبیل منبع خورشیدی، گرمای زمین، باد، امواج، جزر و مد و انرژی هسته‌ای وجود دارد.

اما چگونه می‌توان منبع دیگری به جای مواد آلی پیدا نمود؟ البته در نهایت باید به جایی که سوختهای سنگواره‌ای از آنجا ناشی می‌شوند یعنی توده زیستی برگشت نمود، اما این بار به طور مستقیم و بدون دخالت هزاران سال. توده زیستی قابل تجدید است و چنانچه به طور مناسب مصرف شود، تا زمانی که ما بر روی این سیاره بتوانیم وجود داشته باشیم آن هم باقی می‌ماند. در ضمن می‌گویند که نفت با ارزش‌تر از آن است که سوزانده شود.

چه خصوصیتی در ترکیبات کربن وجود دارد که آنها را از ترکیبات مربوط به صد و چند عنصر دیگر جدول تناوبی متمایز می‌سازد؟ لااقل قسمتی از این جواب به نظر می‌رسد که چنین باشد: تعداد بسیار زیادی از ترکیبات کربن وجود دارند که مولکولهای آنها می‌توانند بسیار بزرگ و پیچیده باشد.

تعداد ترکیباتی که دارای کربن هستند چندین برابر بیشتر از تعداد ترکیبات بدون کربن است. این مواد آلی در خانواده‌های مختلف قرار می‌گیرند، و معمولاً در بین مواد معدنی، همتایی ندارند.

مولکولهای آلی شامل هزاران اتم شناخته شده‌اند، و ترتیب قرار گرفتن اتمها حتی در مولکولهای نسبتاً کوچک بسیار پیچیده است. یکی از مسایل اصلی در شیمی آلی، آگاهی از طرز قرار گرفتن اتمها در مولکولها و یا تعیین ساختمان ترکیبات است.

راه‌های زیادی برای شکستن این مولکولهای پیچیده و یا نوآرایی آنها برای ایجاد مولکولهای جدید وجود دارد؛ روشهای مختلفی برای اضافه نمودن اتمهای جدید به این مولکولها و یا جایگزین نمودن اتمهای جدید به جای اتمهای قدیم وجود دارد. بخش کلان شیمی آلی به پژوهش در مورد این واکنشها اختصاص دارد، یعنی تشخیص این که این واکنشها کدامند، چگونه انجام می‌شوند و چگونه می‌توان از آنها برای سنتز یک ترکیب دلخواه استفاده نمود.

اتمهای کربن می‌توانند به میزانی که برای اتم هیچ عنصر دیگری مقدور نیست، به یکدیگر بپیوندند. اتمهای کربن می‌توانند زنجیرهایی شامل هزاران اتم و یا حلقه‌هایی با اندازه‌های متفاوت ایجاد نمایند؛ زنجیرها و حلقه‌ها می‌توانند دارای شاخه و پیوندهای عرضی باشند. به اتمهای کربن این زنجیرها و حلقه‌ها، اتمهای دیگری که عمدتاً هیدروژن و همچنین فلویور، کلر، برم، ید، اکسیژن، نیتروژن، گوگرد، فسفر و سایر اتمهای گوناگون میپیوندد.

هر آرایش مختلف از اتمها مربوط به ترکیب متفاوتی است، و هر ترکیب یک رشته ویژگیهای شیمیایی و فیزیکی ویژه خود را دارد. از این رو غیرمنتظره نیست که امروزه بیشتر از ده میلیون ترکیب شناخته شده کربن وجود داشته باشد و هر سال به این تعداد نیم میلیون ترکیب تازه افزوده گردد. تعجب‌آور نیست که بررسی این ترکیبات، رشته ویژه‌ای را در شیمی به خود اختصاص دهد.

شیمی آلی اهمیت فوق‌العاده زیادی در تکنولوژی دارد و در واقع، شیمی رنگدانه‌ها و داروها، کاغذ و جوهر، رنگهای نقاشی و پلاستیکها، بنزین و تایرهای لاستیکی است؛ همچنین، شیمی غذایی است که می‌خوریم و لباسی است که می‌پوشیم.

شیمی آلی شالوده زیست‌شناسی و پزشکی است. ساختمان موجودات زنده، به غیر از آب، عمدتاً از مواد آلی ساخته شده‌اند؛ مولکولهای مورد بحث در زیست‌شناسی مولکولی همان مولکولهای آلی هستند. زیست‌شناسی در مقیاس مولکولی همان شیمی آلی است.

شاید دور از انتظار نباشد که بگوییم ما در عصر کربن زندگی می‌کنیم. هر روزه، روزنامه‌ها ذهن ما را متوجه ترکیبات کربن نظیر کلسترول و چربیهای اشباع نشده، هورمونها و استروییدها، حشره‌کشها و فرومونها، عوامل سرطانزا و شیمی درمانی، DNA و ژنها می‌نمایند. به خاطر نفت، جنگها به راه افتاده است.

وقوع دو فاجعه بشریت را تهدید می‌کند و هر دو ناشی از تجمع ترکیبات کربن در جو است؛ یکی نازک شدن لایه ازون که عمدتاً به واسطه وجود کلروفلویورو کربنها است و دیگری پدیده گلخانه که به خاطر حضور متان، کلروفلویور و کربنها و سرآمد همه کربن دی‌اکسید است.

شاید به همین مناسبت بوده است که مجله Science در سال ۱۹۹۰، الماس را که یکی از فرمهای آلوتروپی کربن است به عنوان مولکول سال انتخاب کرده است. و مولکول آلوتروپ تازه‌یاب فولرن باکمینستر کربن ۶۰ (buckminsterfullerene-C۶۰) است که هیجان بسیاری را در دنیای شیمی ایجاد کرده است، هیجانی که از «زمان ککوله تاکنون» دیده نشده است.

در بحث شیمی آلی، آموختن اعداد یونانی و پیشوندهای اعداد یونانی به عنوان یک پیش نیاز مطرح می‌گردد. این اعداد در نام گذاری انواع هیدرو کربن‌ها مصرف دارند.

 

 

 

شیمی معدنی

 

در شیمی معدنی در مورد گستره وسیعی از موضوعات از جمله : ساختمان اتمی ، کریستالوگرافی ، انواع پیوندهای شیمیایی اعم از پیوندهای کووالانسی ، یونی ، هیدروژنی و ... ، ترکیبات کوئوردیناسیون و نظریه‌های مربوطه از جمله نظریه میدان بلور و نظریه اوربیتال مولکولی ، واکنشهای اسید و باز ، سرامیکها ، تقارن مولکولی و انواع بخشهای زیرطبقه الکتروشیمی ( الکترولیز ، باطری ، خوردگی ، نیمه رسانایی و غیره ) بحث می‌شود.

در باب اهمیت شیمی معدنی ، "ساندرسن" چنین نوشته است:

« در واقع بیشترین مباحث علم شیمی را دانش اتمها تشکیل می‌دهد و کلیه خواص مواد و ترکیبات ، به‌ناچار ناشی از نوع اتمها و روشی است که با توجه به آن ، اتمها به یکدیگر می‌پیوندند و مجموعه تشکیل می‌دهند و از طرف دیگر کلیه تغییرات شیمیایی متضمن بازآرایی مجدد اتمهاست. در این حال ، شیمی معدنی تنها بخشی از علم شیمی است که با توجه به آن می‌توان به صورتی ویژه ، در باب مغایرتهای موجود در میان کلیه انواع اتمها بررسی نمود. »

طبقه‌بندی مواد معدنی

در یک مفهوم گسترده ، مواد معدنی را می‌توان در چهار طبقه تقسیم بندی نمود: عناصر ، ترکیبات یونی ، ترکیبات مولکولی و جامدات شبکه‌ای یا بسپارها.

• عناصر : عناصر دارای ساختارها و خواص بسیار متفاوت هستند، بنابراین می‌توانند به یکی از صورتهای زیر باشند:

1.  گازهای اتمی (Kr , Ar) و یا گازهای مولکولی) (

2.  جامدات مولکولی) (

3.  مولکولها و یا جامدات شبکه‌ای گسترش یافته)  الماس ، گرافیت(

4.  فلزات جامد (Co , W) و یا مایع (Hg , Ca)

• ترکیبات یونی : این ترکیبات در دما و فشار استاندارد همواره جامدند و عبارتند از:

1. ترکیبات یونی ساده ، مانند NaCl که در آب یا دیگر حلالهای قطبی محلول‌اند.

2. اکسیدهای یونی که در آب غیر محلول‌اند، مانند ( ) و اکسیدهای مختلط همچون اسپنیل ( ) ، سیلیکاتهای مختلف مانند و ...

3. دیگر هالیدهای دوتایی ، کاربیدها ، سولفیدها و مواد مشابه. چند مثال عبارتست از: BN , GaAs , SiC , AgCl.

4. ترکیباتی که دارای یونهای چند اتمی ( به‌اصطلاح کمپلکس ) می‌باشند، همچون .

• ترکیبات مولکولی : این ترکیبات ممکن است جامد ، مایع و یا گاز باشند و مثالهای زیر را دربر می‌گیرند:

1.  ترکیبات دوتایی ساده همچون .

2.  ترکیبات پیچیده فلزدار همچون .

3. ترکیبات آلی فلزی که مشخصا پیوندهای فلز به کربن دارند، مانند .

• جامدات شبکه‌ای یا بسپارها : نمونه‌های این مواد شامل بسپارهای متعدد و متنوع معدنی و ابررساناها می‌باشد. فرمول نمونه‌ای از ترکیبات اخیر است.

 

ساختارهای مواد معدنی

  

ساختار بسیاری از مواد آلی از چهار وجهی مشتق می‌شود. فراوانی آنها به این دلیل است که در مواد آلی ساده ، بیشترین ظرفیت کربن و همچون بیشتر عناصر دیگری (به استثنای هیدروژن) که معمولا به کربن پیوند می‌شوند، چهار است. اما اجسام معدنی وضعیت ساختاری بسیار پیچیده‌ای دارند، زیرا اتمها ممکن است خیلی بیشتر از چهار پیوند تشکیل دهند. بنابراین ، در مواد معدنی ، اینکه اتمها پنج ، شش ، هفت ، هشت و تعداد بیشتری پیوند تشکیل دهند، امری عادی است. پس تنوع شکل هندسی در مواد معدنی خیلی بیشتر از مواد آلی است.

ساختار مواد معدنی اغلب بر اساس تعدادی از چند وجهی‌های با نظم کمتر ، نظیر دو هرمی با قاعده مثلث ، منشور سه ضلعی و غیره و همچنین بر اساس شکلهای باز چند وجهی‌های منتظم یا غیر منتظم که در آنها یک یا چند راس حذف شده است، نیز مشاهده می‌شود.

 

انواع واکنشهای مواد معدنی

 

در بیشتر واکنشهای آلی می‌توانیم در مورد مکانیسمی که واکنش از طریق آن انجام می‌شود، بحث و بررسی کنیم، در صورتی که برای بسیاری از واکنشهای معدنی فهم دقیق مکانیسم غیر ممکن یا غیر ضروری است. این امر دو دلیل عمده دارد:

 

• اولا ، برخلاف بیشتر مواد آلی ، پیوندها در ترکیبات معدنی غالبا تغییر ناپذیرند. در نتیجه رویدادهای متعدد شکسته شدن پیوند و تشکیل پیوند در واکنشهای معدنی در جریان است. در چنین شرایطی واکنش ، توانایی تولید محصولات گوناگونی را بدست می‌آورد.
• افزون بر این ، اغلب واکنشهای معدنی در شرایطی ویژه همچون به‌هم زدن شدید یک مخلوط ناهمگن در دما و فشار بالا انجام می‌گیرد که تعیین مکانیسم را غیر ممکن یا حداقل غیر عملی می‌سازد.

به این دو دلیل ، اغلب بهتر است که واکنشهای معدنی را فقط بر اساس نتیجه کلی واکنش توصیف کنیم. این رهیافت به نام شیمی معدنی توصیفی معروف است. بنابراین به سهولت مشخص می‌شود که گرچه هر واکنش را می‌توان بر اساس ماهیت و هویت محصولات واکنش در رابطه با ماهیت و هویت مواد واکنش دهنده توصیف کرد، اما نمی‌توان به هر واکنش مکانیسم معینی را نسبت داد. از نظر شیمی معدنی توصیفی ، اکثر واکنشها را می‌توان به یک یا چند طبقه از طبقه‌های زیر نسبت داد:

واکنشهای اسید و باز (خنثی شدن) ، افزایشی _ حذفی ، اکسایش _ کاهش (ردوکس) ، استخلاف ، نوآرایی ، تبادلی ، حلال کافت ، کی‌لیت شدن ، حلقه‌ای شدن و تراکمی و واکنشهای هسته‌ای.

برای درک عمیق‌تر یک واکنش معدنی لازم است تصویر کاملی از واکنش ، از مواد واکنش دهنده گرفته تا حد واسطها یا حالتهای گذرا تا رسیدن به محصولات تهیه کنیم. این امر به دانش کاملی از سینتیک و یا ترمودینامیک واکنش ، همچنین اطلاع از تاثیر ساختار و پیوند بر واکنش پذیری نیاز دارد.

 

  

شیمی آلی و معدنی در مواردی در مباحث یکدیگر وارد می‌شوند. به‌عنوان مثال می‌توان به ترکیبات آلی فلزی ، واکنشهای اسید و باز ، شیمی سیلسیم و ترکیبات کربن (وقتی که با اتمهای هیدروژن ، نیتروژن ، اکسیژن ، گوگرد ، هالوژنها و چند عنصر دیگر نظیر سیلسیم و آرسنیک متصل است) اشاره کرد.

پس شیمی معدنی نه‌تنها با مواد مولکولی مشابه موادی که در شیمی آلی بررسی می‌شوند، سروکار دارد، بلکه توجه خود را به انواع وسیعتری از مواد که شامل گازهای اتمی ، جامدات غیر مولکولی که به‌صورت آرایه‌های گسترش یافته‌ای هستند، ترکیبات حساس در مقابل هوا و رطوبت ، ترکیبات محلول در آب و سایر حلالهای قطبی و همچنین مواد محلول در حلالهای غیر قطبی معطوف می‌کند.

بنابراین شیمیدان معدنی با مسئله تعیین ساختار ، خواص و واکنش پذیری گستره فوق‌العاده وسیعی از مواد که دارای خواص بسیار متفاوت و الگوهای فوق‌العاده پیچیده ساختاری و واکنش پذیری‌اند، مواجه است.

 

 

 رابطه شیمی فیزیک و شیمی معدنی

 

در توجیه موجودیت مواد معدنی و در توصیف رفتار آنها ، به استفاده از جنبه‌های خاصی از شیمی فیزیک ، بخصوص ترمودینامیک ، ساختارهای الکترونی اتمها ، نظریه‌های تشکیل پیوند در مولکولها ، سینتیک واکنش و خواص فیزیکی مواد نیاز داریم. بنابراین با استفاده از شیمی فیزیک می‌توان به ساختار اتمی و مولکولی ، تشکیل پیوند شیمیایی و دیگر اصول لازم برای درک ساختار و خواص مواد معدنی پرداخت.

 

شیمی تجزیه

 

شیمی تجزیه نقش حیاتی را در توسعه علوم مختلف به عهده دارد، لذا ابداع فنون جدید تجزیه و بسط و تکامل روشهای تجزیه شیمیایی موجود ، آنقدر سریع و گسترده است که اندکی درنگ در تعقیب رویدادهای تازه سبب بوجود آمدن فاصله‌های بسیار زیاد علمی خواهد شد. نقش این فنون در فعالیتهای تولیدی روز به روز گسترده‌تر و پردامنه‌تر می‌گردد. امروزه ، کنترل کیفیت محصولات صنعتی و غیر صنعتی ، جایگاه ویژه‌ای دارد که اساس این کنترل کیفیت را تجزیه‌های شیمیایی انجام شده به کمک روشهای مختلف تجزیه‌ای تشکیل می‌دهد.

سیر تحولی و رشد

 اصولا توسعه و تغییر پایدار در فنون و روشهای تجزیه وجود دارد. طراحی دستگاه بهتر و فهم کامل مکانیسم فرآیندهای تجزیه‌ای ، موجب بهبود پایدار حساسیت ، دقت و صحت روشهای تجزیه‌ای می‌شوند. چنین تغییراتی به انجام تجزیه‌های اقتصادی‌تر کمک می‌کند که غالبا به حذف مراحل جداسازی وقت گیر ، منجر می‌شوند. باید توجه داشت که اگر چه روشهای جدید تیتراسیون مانند کریوسکوپی ، Pressuremetriz ، روشهای اکسیداسیون _ احیایی و استفاده از الکترود حساس فلوئورید ابداع شده‌اند، هنوز از روشهای تجزیه وزنی و تجزیه جسمی (راسب کردن ، تیتراسیون و استخراج بوسیله حلال) برای آزمایشهای عادی استفاده می‌شود.

به هر حال در چند دهه اخیر ، تکنیکهای سریعتر و دقیق‌ترِی بوجود آمده‌اند. در میان این روشها می‌توان به اسپکتروسکوپی ماده قرمز ، ماورای بنفش و اشعه X اشاره کرد که از آنها برای تشخیص و تعیین مقدار یک عنصر فلزی با استفاده از خطوط طیفی جذبی یا نشری استفاده می‌گردد. سایر روشها عبارتند از:

 

• کالریمتری (رنگ سنجی) که به توسط آن یک ماده در محلول بوسیله شدت رنگ آن تعیین می‌شود.
• انواع کروماتوگرافی که به توسط آنها اجزای یک مخلوط گازی بوسیله آن از درون ستونی از مواد متخلل یا از روی لایه‌های نازک جامدات پودری تعیین می‌گردند.
• تفکیکی محلولها در ستونهای تبادل یونی
• آنالیز عنصر ردیاب رادیواکتیو.
• ضمنا میکروسکوپی الکترونی و اپتیکی ، اسپکترومتری جرمی ، میکروآنالیز ، طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR) و رزونانس چهار قطبی هسته نیز در همین بخش طبقه بندی می‌شوند.

 
خودکارسازی روشهای تجزیه‌ای در برخی موارد با استفاده از رباتهای آزمایشگاهی ، اهمیت روزافزونی پیدا کرده است. چنین شیوه‌ای ، انجام یکسری تجزیه‌ها را با سرعت ، کارایی و دقت بهتر امکانپذیر می‌سازد. میکروکامپیوترها با قابلیت شگفت‌انگیز نگهداری داده‌ها و بسته‌های نرم افزار گرافیکی بطور قابل ملاحظه‌ای موجبات جمع آوری ، نگهداری ، پردازش ، تقوبت و تفسیر داده‌های تجزیه‌ای را فراهم می‌آورند.

 

انواع تجزیه

 

وقتی آزمایش به شناسایی یک یا چند چیز جز از یک نمونه (شناسایی مواد) محدود می‌گردد، تجزیه کیفی نامیده می‌شود، در حالی که اگر آزمایش به تعیین مقدار یک گونه خاص موجود در نمونه (تعیین درصد ترکیب در مخلوطها یا اجزای ساختمانی یک ماده خالص) محدود گردد، تجزیه کمی نامیده می‌شود. گاهی کسب اطلاعاتی در زمینه آرایش فضایی اتمها در یک مولکول یا ترکیب بلورین ضروری است، یا تاکید حضور یا موقعیت برخی گروههای عامل آلی در یک ترکیب مورد تقاضا است، چنین آزمایشهایی تحت عنوان تجزیه ساختمانی نامیده می‌شوند و ممکن است با جزئیاتی بیش از یک تجزیه ساده مورد توجه قرار گیرند.

ماهیت روشهای تجزیه‌ای

روشهای تجزیه‌ای معمولا به دو دسته کلاسیک و دستگاهی طبقه بندی می‌شوند. روشهای کلاسیک شامل روشهای شیمیایی مرطوب ، نظیر وزن سنجی و عیار سنجی است. در واقع تفاوت اساسی بین روشهای دو دسته وجود ندارد. همه آنها مشتمل بر وابستگی یک اندازه گیری فیزیکی به غلظت آنالیت می‌باشند. در حقیقت روشهای تجزیه‌ای محدودی وجود دارند که صرفا دستگاهی‌اند و یا بیشتر آنها متضمن مراحل شیمیایی متعددی قبل از انجام اندازه گیری دستگاهی هستند.

 

کاربردهای شیمی تجزیه

کنترل کیفیت محصول

بیشتر صنایع تولیدی نیازمند به تولید با کیفیت یکنواخت هستند. برای کسب اطمینان از برآورده شدن این نیازمندی مواد اولیه و همچنین محصول نهایی تولید ، مورد تجزیه‌های شیمیایی وسیعی قرار می‌گیرند.

 نمایش و کنترل آلوده کننده‌ها

 

فلزات سنگین پسمانده‌های صنعتی و حشره کشهای آلی کلردار ، دو مشکل کاملا شناخته شده مربوط به ایجاد آلودگی هستند. به منظور ارزیابی چگونگی توزیع و عیار یک آلوده کننده در محیط ، به یک روش تجزیه‌ای حساس و صحیح نیاز است و در کنترل پسابهای صنعتی ، تجزیه شیمیایی روزمره حائز اهمیت است.

مطالعات پزشکی و بالینی

عیار عناصر و ترکیبات مختلف در مایعات بدن ، شاخصهای مهمی از بی نظمی‌های فیزیولوژیکی می‌باشند. محتوی قند بالا در ادرار که نشانه‌ای از یک حالت دیابتی است و وجود سرب در خون ، از شناخته‌ترین مثالها در این زمینه می‌باشد.

عیارگیری

از دیدگاه تجارتی در برخورد با مواد خام نظیر سنگهای معدنی ، ارزش سنگ معدن ، از روی فلز موجود در آن تعیین می‌شود. این موضوع ، مواد با عیار بالا را نیز غالبا شامل می‌شود. بطوری که حتی تفاوت کم در غلظت می‌تواند از نظر تجاری تاثیر قابل ملاحظه‌ای داشته باشد. بنابراین یک روش تجزیه‌ای قابل اعتماد و صحیح از اهمیت اساسی برخوردار است.

آینده شیمی تجزیه

بروز مشکلات تجزیه‌ای در شکلهای جدیدش ادامه دارد. میزان تقاضای مربوط به انجام تجزیه در ابعاد وسیع توسط بسترهای دستگاهی بطور مداوم در حال افزایش است. کاوشهای فضایی ، نمونه‌های گمانه زنی و مطالعات اعماق دریاها مثالهایی از نیازهای قابل طرح می‌باشند. در دیگر زمینه‌ها نظیر مطالعات محیطی و بالینی ، فرم شیمیایی و دقیق یک عنصر در یک نمونه و نه غلظت کلی آن ، اهمیت فزاینده‌ای پیدا کرده است. دو مثال کاملا شناخته شده در این زمینه ، میزان سمیت بسیار زیاد ترکیبات آلی جیوه و سرب در مقایسه با ترکیبات مشابه معدنی است.

 

 

            

 

 

             شیمی فیزیک

 

 

ترمودینامیک شیمیایی

تعیین سمت و سوی واکنش

ترمودینامیک شیمیایی در عمل ، برقراری چهارچوبی برای تعیین امکان پذیربودن یا خود به خود انجام شدن تحولی فیزیکی یا شیمیایی معین است. به عنوان مثال ، ممکن است به حصول معیاری جهت تعیین امکان پذیر بودن تغییری از یک فاز به فاز دیگر بطور خود به خود مانند تبدیل گرافیت به الماس یا با تعیین سمت و سوی خود به خود انجام شدن واکنشی زیستی که در سلول اتفاق می‌افتد، نظر داشته باشیم.

در حلاجی این نوع مسائل ، چند مفهوم نظری و چند تابع ریاضی دیگر بر مبنای قوانین اول و دوم ترمودینامیک و برحسب توابع انرژی گیبس ابداع شده‌اند که شیوه‌های توانمندی برای دستیابی به پاسخ آن مسائل ، در اختیار قرار داده‌اند.

تعادل

پس از تعیین شدن سمت و سوی تحولی طبیعی ، ممکن است علم بر میزبان پیشرفت آن تا رسیدن به تعادل نیز مورد توجه باشد. به عنوان نمونه ، ممکن است حداکثر راندمان تحولی صنعتی یا قابلیت انحلال دی‌اکسید کربن موجود در هوا ، در آبهای طبیعی یا تعیین غلظت تعادلی گروهی از متابولیتها ( Metabolites ) در یک سلول مورد نظر باشد. روشهای ترمودینامیکی ، روابط ریاضی لازم برای محاسبه و تخمین چنین کمیت‌هایی را بدست می‌دهد.

گرچه هدف اصلی در ترمودینامیک شیمیایی ، تجزیه و تحلیل در بررسی امکان خود به خود انجام شدن یک تحول و تعادل می‌باشد، ولی علاوه بر آن ، روشهای ترمودینامیکی به بسیاری از مسائل دیگر نیز قابل تعمیم هستند. مطالعه تعادلهای فاز ، چه در سیستم‌های ایده آل و چه در غیر آن ، پایه و اساس کار برای کاربرد هوشمندانه روشهای استخراج ، تقطیر و تبلور به عملیات متالوژی و درک گونه‌های کانی‌ها در سیستم‌های زمین‌ شناسی می‌باشد.

 

تغییرات انرژی

 

همین طور ، تغییرات انرژی ، همراه با تحولی فیزیکی یا شیمیایی ، چه به صورت کار و چه به صورت گرما مورد توجه جدی قرار دارند؛ این تحول ممکن است احتراق یک سوخت ، شکافت هسته اورانیوم یا انتقال یک متابولیت در بستر گرادیان غلظت باشد.

مفاهیم و روشهای ترمودینامیکی ، نگرشی قوی برای درک چنان مسائلی را فراهم می آورد که در شیمی فیزیک مورد بررسی قرار می‌گیرند.

 

 تمام واکنش‌های شیمیایی ، اساسا ماهیت الکتریکی دارند؛ زیرا الکترونها ، در تمام انواع پیوندهای شیمیایی (به راههای گوناگون) دخالت دارد. اما الکتروشیمی ، بیش ار هر چیز بررسی پدیده های اکسایش- کاهش (Oxidation - Reduction) است. روابط بین تغییر شیمیایی و انرژی الکتریکی ، هم از لحاظ نظری و هم از لحاظ عملی حائز اهمیت است.

از واکنش‌های شیمیایی می‌توان برای تولید انرژی الکتریکی استفاده کرد، (در سلولهایی که "سلولها یا پیلهای ولتایی" یا "سلولهای گالوانی" نامیده می‌شوند) و انرژی الکتریکی را می‌توان برای تبادلات شیمیایی بکار برد (در سلولهای الکترولیتی). علاوه بر این، مطالعه فرایندهای الکتروشیمیایی منجر به فهم و تنظیم قواعد آن گونی از پدیده های اکسایش- کاهش که خارج از این گونه سلولها یا پیلها روی می دهد نیز می‌شود.

سینتیک شیمیایی (Chemical Kinetic)

سینتیک شیمیایی عبارت از بررسی سرعت واکنش‌های شیمیایی است. سرعت یک واکنش شیمیایی را عوامل معدودی کنترل می‌کنند. بررسی این عوامل ، راههایی را نشان می‌دهد که در طی آنها ، مواد واکنش‌دهنده به محصول واکنش تبدیل می‌شوند. توضیح تفضیلی مسیر انجام واکنش بر مبنای رفتار اتم‌ها ، مولکول‌ها و یون‌ها را "مکانیسم واکنش" می‌نامیم.

در ترمودینامیک و الکتروشیمی ، کارها پیش‌بینی انجام واکنش بود؛ اما مشاهدات صنعتی ، نتایج ترمودینامیک شیمیایی را به نظر تایید نمی‌کند. در این حالت نبایستی فکر کنیم که پیش بینی ترمودینامیک اشتباه بوده است؛ چون ترمودینامیک کاری با میزان پیشرفت واکنش و نحوه انجام فرایندها ندارد. نظر به اهمیت انجام فرایندها از نظر بهره زمانی ، لازم است که عامل زمان در بررسی فرایندها وارد شود.

به عنوان مثال ، کاتالیزورهای بخصوصی به نام "آنزیم‌ها" در تعیین این که کدام واکنش در سیستمهای زیستی با سرعت قابل ملاحظه به راه بیافتد، عواملی مهم هستند. مثلا مولکول "تری فسفات آدنوزین" (Adnosine triphosphate) از لحاظ ترمودینامیکی در محلولهای آبی ناپایدار بوده و باید هیدرولیز گردیده و به "دی فسفات آدنوزین" و یک فسفات معدنی تجزیه شود. در صورتی که این واکنش در غیاب آنزیمی ویژه ، "آدنوزین تری فسفاتاز" ، بسیار کند می‌باشد.

در واقع همین کنترل ترمودینامیکی سمت و سوی واکنش‌ها به همراه کنترل سرعت آنها توسط آنزیمهاست که موجودیت سیستمی با تعادل بسیار ظریف ، یعنی سلول زنده را مقدور می‌سازد. بیشتر واکنش‌های شیمیایی طی مکانیسمهای چند مرحله‌ای صورت می‌گیرند. هرگز نمی‌توان اطمینان داشت که یک مکانیسم پیشنهاد شده ، بیانگر واقعیت باشد. مکانیسم واکنشها تنها حدس و گمانهایی بر اساس بررسیهای سینتیکی‌اند.

 

 

ارتباط شیمی فیزیک با سایر علوم

 

همانطور که عنوان شد و از نام شیمی فیزیک پیداست، این علم ، مسائل و پدیده‌های شیمیایی را با اصول و قوانین فیزیک توجیه می‌کند و ارتباط تنگاتنگی میان شیمی و فیزیک برقرار می‌کند. علاوه بر آن ، روابط بسیار پیچیده شیمیایی با زبان ریاضی ، مرتب و طبقه‌بندی شده و قابل فهم می‌گردد. بسیاری از پدیده‌های زیستی مانند سوخت و ساز مواد غذایی در سلولهای بدن با علم شیمی فیزیک توجیه می‌شود و این ، ارتباط شیمی فیزیک را با زیست شناسی و به تبع آن پزشکی بیان می‌کند.

بسیاری از پدیده های طبیعی که به صورت خود به خودی انجام می‌گیرد، همانند تبدیل خود به خودی الماس به گرافیت ، با علم شیمی فیزیک توجیه می‌شود.

 

 

 

کاربردهای شیمی فیزیک

 

ارتباط شیمی فیزیک با سایر علوم ، کاربردهای اقتصادی و اجتماعی این علم را بیان می‌کند. به عنوان مثال ، با مطالعه الکتروشیمی ، به پایه و اساس پدیده‌های طبیعی مانند خوردگی فلزات پی برده و می‌توان از ضررهای اقتصادی و اجتماعی چنین پدیده‌هایی جلوگیری کرده و یا این پدیده‌ها را به مسیری مفید برای جامعه سوق داد. علاوه بر آن ، کاربرد قوانین ترمودینامیک مانند "نقطه اتکیتک" در جلوگیری از ضررهای جانی و مالی پدیده‌های طبیعی مانند یخ بندان بعد از بارش برف ، بسیار مفید می‌باشد (مخلوط کردن برف و نمک بر اساس نقطه اتکیتک)

فراموش نکنیم که تمامی باطری‌ها و پیلهایی که وسایل زندگی ما با نیروی آنها بکار گرفته می‌شوند، براساس قوانین شیمی فیزیک ساخته شده‌اند.

 

زیست‌شیمی

 

اساس شیمیایی بسیاری از واکنشها در جانداران شناخته شده است. کشف ساختمان دو رشته‌ای دی اکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA)، جزئیات سنتز پروتئین از ژن ها، مشخص شدن ساختمان سه بعدی و مکانیسم فعالیت بسیاری از مولکولهای پروتئینی، روشن شدن چرخه‌های مرکزی متابولیسم وابسته بهم و مکانیسم های تبدیل انرژی و گسترش فناوری Recombinant DNA (نوترکیبی DNA) از دستاوردهای برجسته زیست‌شیمی هستند. امروزه مشخص شده که الگو و اساس مولکولی باعث تنوع جانداران شده است.

 

تمامی ارگانیسم ها از باکتری ها مانند اشرشیاکلی تا انسان، از واحدهای ساختمانی یکسانی که به صورت ماکرومولکول ها تجمع می‌یابند، تشکیل یافته‌اند. انتقال اطلاعات ژنتیکی از DNA به ریبونوکلئیک اسید (RNA) و پروتئین در تمامی جانداران به صورت یکسان صورت می‌گیرد. آدنوزین تری فسفات (ATP)، فرم عمومی انرژی در سیستم های زیستی، از راه های مشابهی در تمامی جانداران تولید می‌شود.

 

 

تاثیر زیست‌شیمی در پزشکی

 

مکانیسم های مولکولی بسیاری از بیماریها، از قبیل بیماری کم خونی و اختلالات ارثی متابولیسم، مشخص شده است. اندازه گیری فعالیت آنزیمها در تشخیص کلینیکی ضروری می‌باشد. برای مثال، سطح بعضی از آنزیمها در سرم نشانگر این است که آیا بیمار اخیرا سکته قلبی کرده است یا نه؟بررسی DNAدر تشخیص ناهنجاریهای ژنتیکی، بیماریهای عفونی و سرطانها نقش مهمی ایفا می‌‌کند. سوشهای باکتریایی حاوی DNA نوترکیب که توسط مهندسی ژنتیک ایجاد شده است، امکان تولید پروتئینهایی مانند انسولین و هورمون رشد را فراهم کرده است. به علاوه، زیست‌شیمی اساس علایم داروهای جدید خواهد بود. در کشاورزی نیز از فناوری DNA نوترکیب برای تغییرات ژنتیکی روی ارگانیسمها استفاده می‌شود.

 

گسترش سریع علم و تکنولوژی زیست‌شیمی در سالهای اخیر، پژوهشگران را قادر ساخته که به بسیاری از سوالات و اشکالات اساسی در مورد زیست‌شناسی و علم پزشکی پاسخ بدهند. چگونه یک تخم حاصل از لقاح گامت های نر و ماده به سلول های ماهیچه‌ای، مغز و کبد تبدیل می‌شود؟ به چه صورت سلول ها با همدیگر به صورت یک اندام پیچیده درمی‌آیند؟ چگونه رشد سلولها کنترل می‌شود؟ علت سرطان چیست؟ سازوکار حافظه کدام است؟ اساس مولکولی روان‌گسیختگی (شیزوفرنی) چیست؟

 

مدلهای مولکولی ساختمان سه بعدی

 

وقتی ارتباط سه بعدی بیومولکولها و نقش بیولوژیکی آنها را بررسی می‌کنیم، سه نوع مدل اتمی برای نشان دادن ساختمان سه بعدی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 

مدل فضاپرکن (Space _ Filling) این نوع مدل، خیلی واقع بینانه و مصطلح است. اندازه و موقعیت یک اتم در مدل فضا پرکن بوسیله خصوصیات باندها و شعاع پیوندهای واندروالسی مشخص می‌شود. رنگ مدلهای اتم طبق قرارداد مشخص می‌شود. مدل گوی و میله (ball _ and _ Stick) این مدل به اندازه مدل فضا پرکن، دقیق و منطقی نیست. برای اینکه اتمها به صورت کروی نشان داده شده و شعاع آنها کوچکتر از شعاع واندروالسی است.

 

مدل اسکلتی (Skeletal) ساده‌ترین مدل مورد استفاده است و تنها شبکه مولکولی را نشان می‌دهد و اتمها به وضوح نشان داده نمی‌شوند. این مدل، برای نشان دادن ماکرومولکولهای بیولوژیکی از قبیل مولکولهای پروتئینی حاوی چندین هزار اتم مورد استفاده قرار می‌گیرد. فضا در نشان دادن ساختمان مولکولی، بکار بردن مقیاس اهمیت زیادی دارد. واحد آنگستروم، بطور معمول برای اندازه‌گیری طول سطح اتمی مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای مثال، طول باند C _ C، مساوی 1،54 آنگستروم می‌باشد. بیومولکولهای کوچک، از قبیل کربوهیدراتها و اسیدهای آمینه، بطور تیپیک، طولشان چند آنگستروم است. ماکرومولکولهای بیولوژیکی، از قبیل پروتئینها، 10 برابر بزرگتر هستند. برای مثال، پروتئین حمل کننده اکسیژن در گلبولهای قرمز یا هموگلوبین، دارای قطر 65 آنگستروم است. ماکرومولکولهای چند واحدی 10 برابر بزرگتر می‌باشند. ماشینهای سنتز کننده پروتئین در سلولها یا ریبوزومها، دارای 300 آنگستروم طول هستند. طول اکثر ویروسها در محدوده 100 تا 1000 آنگستروم است. سلولها بطور طبیعی 100 برابر بزرگتر هستند و در حدود میکرومتر (μm) می‌باشند. برای مثال قطر گلبولهای قرمز حدود 7μm است. میکروسکوپ نوری حداقل تا 2000 آنگستروم قابل استفاده است. مثلا میتوکندری را می‌توان با این میکروسکوپ مشاهده کرد. اما اطلاعات در مورد ساختمانهای بیولوژیکی از مولکولهای 1 تا آنگستروم با استفاده از میکروسکوپ الکترونی X-ray بدست آمده است. مولکولهای حیات ثابت می‌باشند.

 

 

زمان لازم برای انجام واکنشهای زیست‌شیمیایی

 

واکنش‌های شیمیایی در سامانه‌های زیستی به وسیله آنزیمها کاتالیز می‌شوند. آنزیمها سوبستراها را در مدت میلی ثانیه به محصول تبدیل می‌کنند. سرعت بعضی از آنزیمها حتی سریعتر نیز می‌باشد، مثلا کوتاهتر از چند میکروثانیه. بسیاری از تغییرات فضایی در ماکرومولکولهای بیولوژیکی به سرعت انجام می‌گیرد. برای مثال، باز شدن دو رشته هلیکسی DNA از همدیگر که برای همانندسازی و رونویسی ضروری است، یک میکروثانیه طول می‌کشد. جابجایی یک واحد (Domain) از پروتئین با حفظ واحد دیگر، تنها در چند نانوثانیه اتفاق می‌افتد. بسیاری از پیوندهای غیر کووالان مابین گروههای مختلف ماکرومولکولی در عرض چند نانوثانیه تشکیل و شکسته می‌شوند. حتی واکنشهای خیلی سریع و غیر قابل اندازه گیری نیز وجود دارد. مشخص شده است که اولین واکنش در عمل دیدن، تغییر در ساختمان ترکیبات جذب کننده فوتون به نام رودوپسین می‌باشد که در عرض اتفاق می‌افتد.

 

انرژی ما بایستی تغییرات انرژی را به حوادث مولکولی ربط دهیم. منبع انرژی برای حیات، خورشید است. برای مثال، انرژی فوتون سبز، حدود 57 کیلوکالری بر مول (Kcal/mol) بوده و ATP، فرمول عمومی انرژی، دارای انرژی قابل استفاده به اندازه 12 کیلوکالری بر مول می‌باشد. برعکس، انرژی متوسط هر ارتعاش آزاد در یک مولکول، خیلی کم و در حدود 0،6 کیلوکالری بر مول در 25 درجه سانتیگراد می‌باشد. این مقدار انرژی، خیلی کمتر از آن است که برای تجزیه پیوندهای کووالانسی مورد نیاز است، (برای مثال 83Kcal/mol برای پیوند C _ C). بدین خاطر، شبکه کووالانسی بیومولکولها در غیاب آنزیمها و انرژی پایدار می‌باشد. از طرف دیگر، پیوندهای غیر کووالانسی در سیستمهای بیولوژیکی بطور تیپیک دارای چند کیلوکالری انرژی در هر مول می‌باشند. بنابراین انرژی حرارتی برای ساختن و شکستن آنها کافی است. یک واحد جایگزین در انرژی، ژول می‌باشد که برابر 0،239 کالری است.

 

ارتباطات قابل بازگشت بیومولکولها

 

ارتباطات قابل برگشت بیومولکولها از سه نوع پیوند غیر کووالانسی تشکیل شده است. ارتباطات قابل برگشت مولکولی، مرکز تحرک و جنبش موجود زنده است. نیروهای ضعیف و غیر کووالان نقش کلیدی در رونویسی DNA، تشکیل ساختمان سه بعدی پروتئینها، تشخیص اختصاصی سوبستراها بوسیله آنزیمها و کشف مولکولهای سیگنال ایفا می‌کنند. به علاوه، اکثر مولکولهای زیستی و فرآیندهای درون‌مولکولی، بستگی به پیوندهای غیر کووالانی همانند پیوندهای کووالانی دارند. سه پیوند اصلی غیر کووالان عبارت است از: پیوندهای الکترواستاتیک، پیوندهای هیدروژنی و پیوندهای واندروالسی آنها از نظر ژئومتری، قدرت و اختصاصی بودن با هم تفاوت دارند. علاوه از آن، این پیوندها به مقدار زیادی از طرق مختلف در محلولها تحت تاثیر قرار می‌گیرند.