تاریخچه
واژه غلط انداز " آلی " باقیمانده از روزگاری است که ترکیبهای شیمیایی را ، بسته به این که از چه محلی منشاء گرفته باشند، به دو طبقه غیر آلی و آلی تقسیم میکردند.
ترکیبهای غیر آلی ، ترکیبهایی بودند که از مواد معدنی بدست میآمدند.
ترکیبات آلی ، ترکیبهایی بودند که از منابع گیاهی یا حیوانی ، یعنی از مواد تولید شده به وسیله ارگانیسمهای زنده بدست میآمدند.
در حقیقت تا حدود سال 1950، بسیاری از شیمیدانها تصور میکردند که ترکیبات آلی باید در ارگانیسم های زنده بوجود آیند و در نتیجه ، هرگز نمیتوان آنها را از مواد غیر آلی تهیه کرد.
ترکیبهایی که از منابع آلی بدست می آمدند، یک چیز مشترک داشتند: همه آنها دارای عنصر کربن بودند.
حتی بعد از آن که روشن شد این ترکیبها الزاما نباید از منابع زنده به دست آیند، بلکه میتوان آنها را در آزمایشگاه نیز تهیه کرد.
بهتر آن دیدند که برای توصیف آنها و ترکیبهایی مانند آنها ، همچنان از واژه آلی استفاده کنند.
تقسیم ترکیبها به غیر آلی و آلی تا به امروز همچنان محفوظ مانده است.
منابع مواد آلی
امروزه گرچه هنوز مناسبتر است که بعضی از ترکیبهای کربن را از منابع گیاهی و حیوانی استخراج کنند، ولی بیشتر آنها را میسازند.
این ترکیبها را گاهی از اجسام غیر آلی مانند کربناتها و سیانیدها میسازند، ولی اغلب آنها را از سایر ترکیبهای آلی بدست میآورند.
دو منبع بزرگ مواد آلی وجود دارد که ترکیبهای آلی ساده از آن بدست میآیند:
نفت و زغال سنگ؛ (هر دو منبع به معنی قدیمی خود ، آلیاند، زیرا فرآورده های تجزیه و فساد گیاهان و جانوران به شمار می آیند).
این ترکیبهای ساده بعنوان مواد ساختمانی اولیه مورد استفاده قرار میگیرند و با کمک آنها میتوان ترکیبهایی بزرگتر و پیچیدهتر را تهیه کرد.
با نفت و زغال سنگ بعنوان سوختهای فسیلی ، باقیمانده از هزاران سال و تجدید نشدنی ، آشنا هستیم.
این منابع ، بویژه نفت ، بمنظور تامین نیازهای پیوسته رو به افزایش ما به انرژی ، با سرعتی نگرانکننده مصرف میشوند.
امروزه ، کمتر از ده درصد نفت مصرفی در تهیه مواد شیمیایی ، بکار گرفته میشود.
بیشتر آن برای تامین انرژی بسادگی سوزانده میشود.
خوشبختانه ، منابع دیگر انرژی ، مانند خورشیدی ، زمین گرمایی ، باد ، امواج ، جزر و مد ، انرژی هستهای نیز وجود دارد.
زیست توده
چگونه و در کجا میتوانیم منبع دیگری از مواد اولیه آلی پیدا کنیم؛ بی شک باید به جایی روی آوریم که مبدا اولیه سوختهای فسیلی است، یعنی زیست توده biomass ، ولی این بار بطور مستقیم و بدون دخالت هزاران سال.
زیست توده ، تجدید شدنی است، براحتی مورد استفاده قرار میگیرد و میتواند تا موقعی که بر روی این سیاره زندگی میکنیم، تداوم داشته باشد.
در ضمن عقیده بر این است که نفت خیلی گرانبهاتر از آن است که سوزانده شود.
ویژگی ترکیبات کربن
براستی چه ویژگی خاصی در ترکیبهای کربن وجود دارد که لازم است آنها را از ترکیبهای یکصد و چند عنصر دیگر جدول تناوبی جدا کنیم؟
دست کم ، بخشی از پاسخ چنین است: ترکیبهای بسیار زیادی از کربن وجود دارد و مولکول آنها میتواند بسیار بزرگ و بسیار پیچیده باشد.
شمار ترکیبهای کربندار ، چندین برابر ترکیبهایی است که کربن ندارند.
این ترکیبهای آلی را به خانواده هایی تقسیم میکنند که معمولا در ترکیبهای غیرآلی ، همانندی برایشان وجود ندارد.
بعضی از مولکولهای شناخته شده آلی ، هزاران اتم دارند و آرایش اتمها در مولکولهای نسبتا کوچک ممکن است بسیار پیچیده باشد.
یکی از دشواریهای اساسی شیمی آلی ، یافتن چگونگی آرایش اتمها در مولکولها ، یعنی تعیین ساختار این ترکیبهاست.
واکنشها در شیمی آلی
راههای زیادی برای خرد کردن مولکولهای پیچیده یا نوآرایی آنها بمنظور تشکیل مولکولهای تازه وجود دارد.
راههای زیادی برای افزودن اتمهای دیگر به این مولکولها یا جانشین کردن اتمهای تازه به جای اتمهای پیشین وجود دارد.
بخشی ار شیمی آلی صرف دانستن این مطلب میشود که این واکنشها چه واکنشهایی هستند، چگونه انجام میشوند و چگونه میتوان از آنها در سنتز ترکیبهای مورد نیاز استفاده کرد.
گستره اتصال اتمهای کربن در ترکیبات کربن
اتمهای کربن میتوانند به یکدیگر متصل شوند.
گستره اتصال آنها به هم ، به اندازهای است که برای اتمهای هیچ یک از عناصر دیگر ممکن نیست.
اتمهای کربن میتوانند زنجیرهایی به طول هزارها اتم ، یا حلقههایی با ابعاد گوناگون تشکیل دهند.
این زنجیرها ممکن است شاخهدار و دارای پیوندهای عرضی باشند.
به اتمهای کربن در این زنجیرها و حلقه ها ، اتمهای دیگری بویژه هیدروژن ، همچنین فلوئور ، کلر ، برم ، ید ، اکسیژن ، نیتروژن ، گوگرد ، فسفر و سایر اتمها متصل میشوند.
سلولز ، کلروفیل و اکسی توسین مثالهایی از این دستند.
هر آرایش متفاوتی از اتمها با یک ترکیب معین تطبیق میکند و هر ترکیب دارای مجموعه ای از ویژگیهای شیمیایی و فیزیکی مخصوص به خود است.
شگفتانگیز نیست که امروزه بیش از ده میلیون ترکیب کربن میشناسیم و این که بر این تعداد ، همه ساله نیم میلیون افزوده میشود.
همچنین شگفت انگیز نیست که مطالعه و بررسی شیمی آنها به تخصصی ویژه نیاز دارد.
تکنولوژی و شیمی آلی شیمی آلی ، زمینهای است که از دیدگاه تکنولوژی اهمیتی فوقالعاده دارد.
شیمی آلی شیمی رنگ و دارو ، کاغذ و مرکب ، رنگینه ها و پلاستیکها ، بنزین و لاستیک چرخ است.
شیمی آلی ، شیمی غذایی است که میخوریم و لباسی است که میپوشیم.
زیست شناسی و شیمی آلی شیمی آلی در زیست شناسی و پزشکی نقش اساسی برعهده دارد.
گذشته از آن ، ارگانیسم های زنده ، بیشتر از ترکیبهای آلی ساخته شده اند.
مولکولهای "زیست شناسی مولکولی" همان مولکولهای آلی هستند.
زیست شناسی در سطح مولکولی ، همان شیمی آلی است.
عصر کربن اگر بگوییم که در عصر کربن زندگی می کنیم، دور از حقیقت نیست.
هر روز ، روزنامهها توجه ما را به ترکیبهای کربن جلب میکنند: کلسترولو چربیهای سیرنشده چند عاملی ، هورمونهای رشد و استروئیدها ، حشره کشها و فرومونها ، عوامل سرطانزا و عوامل شیمیدرمانی ، DNA و ژنها.
بر سر نفت ، جنگها در گرفته است.
دو فاجعه اسفانگیز ما را تهدید میکنند، هر دو از تجمع ترکیبهای کربن در اتمسفر ناشی میشوند: از بین رفتن لایه اوزون که بیشتر ناشی از کلرو فلوئورو کربنهاست و اثر گلخانهای از متان ، کلروفلوئوروکربنها و بیش از همه ، دیاکسید کربن سرچشمه میگیرد.
شاید کنایه بر همین مطلب است که نشریه علوم ، برای سال 1990، بعنوان مولکول سال ، الماس را که یکی از شکلهای آلوتروپی کربن است، برگزیده.
خبر دیگر ، کشف آلوتروپ جدید کربن C60 باک منیستر فولرن است که چنین هیجانی در جهان شیمی از زمان " ککوله " تاکنون دیده نشده بود.
شیمی فیزیک شیمی فیزیک (Physical chemistry) بخشی از علم شیمی است که در آن ، از اصول و قوانین فیزیکی ، برای حل مسائل شیمیایی استفاده میشود.
به عبارت دیگر ، هدف از شیمی فیزیک ، فراگیری اصول نظری فیزیک در توجیه پدیدههای شیمیایی است.
برای آشنایی بیشتر با علم شیمی فیزیک ، باید با زیر مجموعههای این علم آشنا شویم و اهداف این علم را در دل این زیر مجموعهها بیابیم.
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.
الکتروشیمی 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