Hóa học là ngành khoa học liên quan đến các nguyên tố và hợp chất bao gồm các nguyên tử , phân tử và ion : thành phần, cấu trúc, tính chất, hành vi của chúng và những thay đổi mà chúng trải qua trong quá trình phản ứng với các chất khác . [1] [2] [3]

Trong phạm vi môn học của mình, hóa học chiếm vị trí trung gian giữa vật lý và sinh học . [4] Nó đôi khi được gọi là khoa học trung tâm vì nó cung cấp nền tảng để hiểu cả các ngành khoa học cơ bản và ứng dụng ở cấp độ cơ bản. [5] Ví dụ, hóa học giải thích các khía cạnh của hóa học thực vật ( thực vật học ), sự hình thành đá lửa ( địa chất ), cách hình thành ôzôn trong khí quyển và cách các chất ô nhiễm môi trường bị phân hủy ( sinh thái học ), các đặc tính của đất trên mặt trăng (hóa học vũ trụ ), cách thuốc hoạt động (dược học ), và cách thu thập bằng chứng DNA tại hiện trường vụ án ( pháp y ).

Hóa học giải quyết các chủ đề như cách các nguyên tử và phân tử tương tác thông qua liên kết hóa học để tạo thành các hợp chất hóa học mới . Có bốn loại liên kết hóa học: liên kết cộng hóa trị , trong đó các hợp chất chia sẻ một hoặc nhiều electron; liên kết ion , trong đó một hợp chất nhường một hoặc nhiều electron cho một hợp chất khác để tạo ra các ion ( cation và anion ); liên kết hydro ; và liên kết lực Van der Waals .

Từ nguyên
Từ hóa học xuất phát từ một sửa đổi của từ giả kim , dùng để chỉ một nhóm thực hành trước đó bao gồm các yếu tố hóa học, luyện kim , triết học , chiêm tinh học , thiên văn học , thần bí và y học . Giả kim thuật thường được coi là có liên quan đến nhiệm vụ biến chì hoặc các kim loại cơ bản khác thành vàng, mặc dù các nhà giả kim thuật cũng quan tâm đến nhiều câu hỏi của hóa học hiện đại. [6]

Từ hiện đại thuật giả kim lần lượt có nguồn gốc từ tiếng Ả Rập từ al-Kimia (الكیمیاء). Về nguồn gốc, thuật ngữ này được mượn từ tiếng Hy Lạp χημία hoặc χημεία. [7] [8] Điều này có thể có nguồn gốc từ Ai Cập vì al-kīmīā có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp χημία, có nguồn gốc từ từ Kemet , là tên cổ của Ai Cập trong ngôn ngữ Ai Cập. [7] Ngoài ra, al-kīmīā có thể bắt nguồn từ χημεία, có nghĩa là “đúc cùng nhau”. [9]

Nguyên tắc hiện đại

Phòng thí nghiệm , Viện Hóa sinh, Đại học Cologne ở Đức .
Mô hình cấu trúc nguyên tử hiện nay là mô hình cơ lượng tử . [10] Hóa học truyền thống bắt đầu với việc nghiên cứu các hạt cơ bản , nguyên tử , phân tử , [11] chất , kim loại , tinh thể và các tập hợp vật chất khác . Vật chất có thể được nghiên cứu ở dạng rắn, lỏng, khí và plasma bang , trong sự cô lập hoặc kết hợp. Các tương tác , phản ứngvà các phép biến đổi được nghiên cứu trong hóa học thường là kết quả của sự tương tác giữa các nguyên tử, dẫn đến sự sắp xếp lại các liên kết hóa học giữ các nguyên tử lại với nhau. Những hành vi như vậy được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm hóa học .

Phòng thí nghiệm hóa học sử dụng một cách khuôn mẫu các loại dụng cụ thủy tinh trong phòng thí nghiệm . Tuy nhiên, dụng cụ thủy tinh không phải là trung tâm của hóa học, và rất nhiều hóa học thực nghiệm (cũng như ứng dụng / công nghiệp) được thực hiện mà không có nó.

Dung dịch của các chất trong chai thuốc thử, bao gồm amoni hydroxit và axit nitric , được chiếu sáng bằng các màu khác nhau
Một phản ứng hóa học là sự biến đổi của một số chất vào một hoặc nhiều chất khác nhau. [12] Cơ sở của sự biến đổi hóa học đó là sự sắp xếp lại các electron trong liên kết hóa học giữa các nguyên tử. Nó có thể được mô tả một cách tượng trưng thông qua một phương trình hóa học , thường liên quan đến các nguyên tử làm chủ thể. Số nguyên tử ở bên trái và bên phải trong phương trình biến đổi hóa học bằng nhau. (Khi số nguyên tử ở hai bên không bằng nhau, sự biến đổi được gọi là phản ứng hạt nhân hoặc phân rã phóng xạ .) Loại phản ứng hóa học mà một chất có thể trải qua và sự thay đổi năng lượng có thể đi kèm với nó bị ràng buộc bởi những quy tắc cơ bản nhất định, được biết nhưcác định luật hóa học .

Cân nhắc về năng lượng và entropi luôn quan trọng trong hầu hết các nghiên cứu hóa học. Các chất hóa học được phân loại theo cấu trúc , pha, cũng như thành phần hóa học của chúng . Chúng có thể được phân tích bằng cách sử dụng các công cụ phân tích hóa học , ví dụ như quang phổ và sắc ký . Các nhà khoa học tham gia vào nghiên cứu hóa học được gọi là nhà hóa học . [13] Hầu hết các nhà hóa học chuyên về một hoặc nhiều phân ngành. Một số khái niệm rất cần thiết cho việc nghiên cứu hóa học; một số trong số đó là: [14]

Vấn đề
Bài chi tiết: Vấn đề
Trong hóa học, vật chất được định nghĩa là bất cứ thứ gì có khối lượng và thể tích nghỉ (chiếm không gian) và được tạo thành từ các hạt . Các hạt tạo nên vật chất cũng có khối lượng nghỉ – không phải tất cả các hạt đều có khối lượng nghỉ, chẳng hạn như photon . Vật chất có thể là một chất hóa học thuần túy hoặc một hỗn hợp các chất. [15]

Nguyên tử là đơn vị cơ bản của hóa học. Nó bao gồm một lõi dày đặc được gọi là hạt nhân nguyên tử được bao quanh bởi một không gian được chiếm bởi một đám mây electron . Hạt nhân được tạo thành từ các proton mang điện tích dương và neutron chưa tích điện (gọi chung là nucleon ), trong khi đám mây electron bao gồm các electron mang điện tích âm quay quanh hạt nhân. Trong nguyên tử trung hòa, các electron mang điện tích âm cân bằng với điện tích dương của các proton. Nhân dày đặc; khối lượng của một nucleon xấp xỉ 1,836 lần electron, nhưng bán kính của một nguyên tử gấp khoảng 10.000 lần hạt nhân của nó. [16] [17]

Nguyên tử cũng là thực thể nhỏ nhất có thể được hình thành để giữ lại các tính chất hóa học của nguyên tố, chẳng hạn như độ âm điện , thế ion hóa , (các) trạng thái oxy hóa ưu tiên , số phối trí và các loại liên kết ưa thích để hình thành (ví dụ: kim loại , ion , cộng hóa trị ).

Thành phần

Dạng chuẩn của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Màu sắc đại diện cho các loại yếu tố khác nhau
Bài chi tiết: Nguyên tố hóa học
Một nguyên tố hóa học là một chất tinh khiết trong đó gồm có một loại duy nhất của nguyên tử, đặc trưng bởi số lượng cụ thể của các proton trong hạt nhân nguyên tử của nó, được gọi là số nguyên tử và thể hiện bằng biểu tượng Z . Số khối là tổng số proton và nơtron trong hạt nhân. Mặc dù tất cả các hạt nhân của tất cả các nguyên tử thuộc một nguyên tố sẽ có cùng số hiệu nguyên tử, chúng có thể không nhất thiết phải có cùng số khối; nguyên tử của một nguyên tố có số khối khác nhau được gọi là đồng vị . Ví dụ, tất cả các nguyên tử có 6 proton trong hạt nhân của chúng đều là nguyên tử của nguyên tố hóa học cacbon , nhưng nguyên tử cacbon có thể có số khối là 12 hoặc 13.[17]

Cách trình bày tiêu chuẩn của các nguyên tố hóa học là trong bảng tuần hoàn , sắp xếp các nguyên tố theo số hiệu nguyên tử. Bảng tuần hoàn được sắp xếp theo nhóm hoặc cột và chu kỳ hoặc hàng. Bảng tuần hoàn rất hữu ích trong việc xác định các xu hướng tuần hoàn . [18]