化学

化学是研究物质的科学和化学变化发生。化学的研究不仅对自然的基本问题作出了回答,也会影响人们的生活。化学已被使用,例如,更强的金属,丰富土壤种植作物,来杀死有害细菌,并测量水平的污染环境。它也成为可能的发展等新物质塑料,纤维,和新药物。

等领域的化学知识是很重要的生物学、医学、农业、考古学和地质学。化学家本身是受雇于教育和研究机构,政府和行业。

化工行业的功能是创建新的化学物质和供应的产品化学研究。使用化学反应,该行业将原材料等水、盐、金属和矿产、石油、煤炭、天然气、植物纤维素和淀粉,和大气气体到其他产品。一些使用这些产品的制造商。它们包括所需的化学物质使金属和纸产品;墙板、管、绝缘和其他建筑材料;聚合物为塑料玩具、瓶子、电影、油漆、和其他物品;和纤维地毯和织物。其他化工产品所使用的消费者更直接包括药物、染料、油漆、肥料、洗发水、清洁剂和蜡,香水,化妆品和香料。

化学的工作通常被描述为分析和合成。化学家分析物质通过拆开发现它们是什么做的。化学家合成物质,它们在不同的,可能是更有用的组合。专门的仪器和电脑的帮助下,化学家研究材料的单原子和尽可能大而复杂的DNA(脱氧核糖核酸),其中包含数以百万计的原子。(另请参阅化学分析。)

化学家想了解宇宙是如何结合在一起的,以及如何的物质可以改变人类的优势。化学家和物理学家在这些努力取得了很大的进步。他们发现,宇宙中一切可分为事或能源物质和能量可以被转换从一个到另一个。

物质本身根据其物理状态可分为:固体,液体,气体,或等离子体。研究生理状态导致的结论是,他们的特征可以用假设来解释物质是由粒子的运动。这移动粒子理论,称为物质的分子运动理论,解释了许多常见的现象,比如蒸发的液体和气体的扩散。问题也可以分组根据成分的性质:元素、化合物或混合物。(另请参阅热;物理化学。)

物质的研究已经帮助化学家发现,整个宇宙是由化学构建块调用元素。超过90个已知元素广泛存在于自然界中,和科学家约20人为附加的元素。化学涉及的科学研究这些化合物的元素和不同的元素结合时形成的。

化学家们现在也知道元素是由时间组成的原子。一些早期希腊哲学家认为物质是由原子组成,但直到19世纪初,物理学家和化学家开始收集所需的证据证明这个理论,了解原子的性质。

原子理论可以概括如下:(1)普通物质的微粒叫做原子。(2)原子相同的元素有相同的平均质量,和不同元素的原子有不同的平均质量。(3)化学反应发生在原子或原子团之间。(另请参阅原子粒子;核能源。)

当汽油燃烧时,面包吃,或者从石油生产塑料,化学变化发生。物质发生化学变化时,质量是conserved-that,物质的质量是相同的化学变化发生之前和之后。原子保持原来的身份和他们的数量保持不变,但是它们重组成新的组合。然而,起始材料的化学特性消失,新材料的属性。物质的过程变成其他物质被称为化学反应。

除了化学变化,物质还可以接受两个其他类型的changes-physical和核。沸腾的水,冰的融化,蔗糖溶解的茶都是生理变化的例子。在所有这些反应所涉及的物质的化学成分是一样的。与化学变化,物质发生物理变化时质量是守恒的。唯一的变化是在物理形式。(另请参阅质量守恒定律。)

的现象放射性裂变的铀- 235,和氢原子的融合(形成氦原子),与合成释放原子能核变化的例子。在每种情况下原子的原子核变化和一种转化为另一个。一个元素可能被改变或转化,成一个或多个其他元素,质量是守恒的。(另请参阅核能源。)

一个样本的纯净元素包含原子化学性质是相同的,但不同于所有其他的元素。纯铜只包含铜原子,纯氧氧原子。不同元素的原子结合的趋势使可能的化合物的种类和数量。化合物是由两种或两种以上的元素发生了化学变化。水,糖,小苏打和盐是熟悉的化合物的例子。

化合物是由一个称为过程化学反应。元素结合,或反应,形成化合物理化性质不同于原始的元素。例如,当氢原子气体和氧气结合在室温下,他们经过化学反应和形式水。水是一种化合物,液体在室温和与氢气或氧气。甲烷气体,由碳和氢,蔗糖,由碳、氢和氧,其他化合物的例子。

化合物有一个明确的composition-its组成元素总是发生在相同的比例,或者公式。例如,水总是包含为每一个氧原子两个氢原子。已知的化合物,天然和人工,数百万。无数人仍然被发现或在实验室合成。

物质,如牛奶、油漆、油墨、空气、和泥水混合物,岩石和金属合金。原子和其他粒子的混合物混合,但是他们并没有相互结合,发生了化学变化。与化合物、混合物没有明确的成分;这就是为什么他们的成分不能被一个固定的公式。(另请参阅胶体;解决方案。)

混合物通常可以通过物理方法分离,色谱法、蒸发、蒸馏、过滤等。方法的选择在很大程度上取决于混合物的性质和它所包含的类型的物质。

色谱法

色谱法包括方法的集合,可用于分离物质溶解在液体或气体混合物。过程有两个主要部分,或阶段固定相,移动,或移动阶段。固定相通常是液体或固体介质;流动相的溶剂通常是液体或气体。被分析应用于混合介质(固定相),然后放置在接触溶剂(流动相)。溶剂穿过介质的毛细管作用,携带混合物质。个人物质混合物中移动速度不同基于某些属性(例如,分子大小。每个物质的混合物分离的溶剂和吸附介质移动在一个不同的点,使识别。

不同的色谱方法包括气相色谱、薄层色谱、纸色谱法。纸色谱法分离色素混合物尤其有用,如油墨和植物材料,并确定他们的组件的颜色。少量的研究混合物应用特殊的滤纸的边缘附近。纸是挂在一个容器的水或酒精等溶剂,这样纸的边缘与溶剂接触。混合溶剂纸,旅行携带。不同色素混合物中分离出并遵守本文在不同的点,允许他们的识别颜色。(另请参阅化学分析。)

蒸馏

蒸馏是分离的液体使用解决方案。液体加热到沸点,将它转换成蒸汽,或气体状态,然后冷却,重新回到液态液态形式在一个单独的装置。蒸馏方法包括简单的蒸馏和分馏。

简单蒸馏是用于分离液体从一个解决方案。解决方法是加热到其沸点液体蒸发。上升的蒸汽被捕获在一个单独的设备,在冷却并凝缩成液态。的固体材料的解决方案是留下。可以使用简单的蒸馏分离和收集水在盐水溶液;水蒸发,蒸汽冷却和冷凝形成液态水在一个单独的容器,留下盐。

分馏是类似于简单的蒸馏,但需要更多的步骤。它用于单独的两个或两个以上具有不同沸点的液体。提出的解决方案是最低的沸点,使液体蒸发,然后分别凝结成液态形式。剩余的解决方案是然后加热到下一个最高沸点,允许蒸发和冷凝。将使用分馏,例如,含有乙醇和水的另一个解决方案。解决方案先加热到173°F (78°C),乙醇的沸点。乙醇会蒸发,其蒸汽将液体冷却,重新回到液态乙醇在一个单独的容器中。剩余的解决方案将被加热到212°F (100°C),水的沸点。水蒸气会冷却,冷凝回到液态形式。其他液体以及固体材料,会留下。

元素从那些高度活跃,那些几乎完全惰性。原子结合的趋势是一个原子的化学性质,它是由电气控制部队在原子水平。这些部队建立链接,称为化学键,持有两个或两个以上的原子聚集在一起。组的原子形成的化学键被称为分子。分子化合物,可以存在的最小单位,同时仍然保持物质的组成和化学性质。(另请参阅无机化学;有机化学。)

为了使元素和化合物容易书面描述,化学家们通常显示每个元素与缩写称为化学符号。这通常是最初的或普通的名字的前两个字母或元素的拉丁名字。化学家使用这种速记不仅代表一个元素的名称也是元素的一个原子。单个原子的符号氢、碳、和铁,例如,H, C,和铁。(另请参阅元素周期表。)

一个元素的原子可以相互结合,形成分子。例如,原子氧(O),氢(H)、氮(N)和氯(Cl)往往与自己的同类反应形成两个atom分子。这些分子是缩写所代表的O₂H₂N₂,Cl₂,分别。元素的下标2表明,两个原子元素的一个分子。氧气也可以形成一个three-atom分子叫做臭氧的缩写₃。以这种方式写缩写的分子被称为化学公式。他们展示的各种原子和分子中每一种的数量。

六气elements-helium、氖、氩、氪、氙,radon-were认为完全不活跃的化学时首次发现,所以被命名为惰性气体。作为单身,都是出现在空气中自由的原子;因此在他们的气态形式符号(例如,他对氦)是没有下标写的。自1960年代初以来,化学家们已经发现,在适当的条件下,至少其中的一些可以形成化合物。今天这个家庭的首选名称的元素惰性气体。

化学公式也被用来代表化合物,其分子组成。一个原子氢和氯反应形成化合物氢氯(看到盐酸)。氯化氢的化学式是盐酸。氢原子结合碳原子四比一的比例形成可燃气体甲烷,这是表示为CH₄。一个氯原子结合三个原子的铝(Al)氯化铝(AlCl形式₃以水合形式),(结合分子水)中使用止汗剂。

甚至在形式的分子,原子的元素可能仍然与其他元素发生反应。空气中的氧分子(O₂)与原子进行复杂反应的铁(Fe)当铁暴露在潮湿的空气。他们与铁结合形成生锈,这是一种化学化合物称为三氧化二铁(Fe₂O₃)。同样的,分子的化合物可以与其他元素和化合物反应。一个水分子和一个氨分子(NH)₃),例如,可以组合成一个名为氢氧化铵(NH的新分子₄哦)。

在阅读化学公式,重要的是要记住他们所做的不显示。公式通常说的很少的化学成键原子。此外,他们一定是在纸上写了“平”或黑板,尽管实际上分子存在于三维空间。例如,甲烷的公式,CH₄,不显示所有四个氢原子只对碳原子相连,或者周围的氢原子在空间排列碳原子在相等的距离和角度。因此,分子就像一个四面体,或四面金字塔(包括基础),中心碳原子和氢原子的角落。在解决化学问题——例如一个新的设计塑料,example-chemists常常必须考虑分子的几何结构,会做出反应,会产生的分子。(另请参阅聚合物。)

表达形式和分解分子的反应,化学家写化学方程式。这些都是普通单词速记版本的描述,他们利用符号和公式元素和化合物。例如:

文字描述:两个分子的氢与一个分子反应的氧形成两个分子的水。

化学方程式:2 h₂+ O₂→2 h₂O

文字描述:两个分子的氨氮的相互反应形成一个分子和三个氢分子。

化学方程式:2 nh₃→N₂+ 3 h₂

在化学方程式,物质在左边的arrow-those接受化学正称为反应物。右边的物质位于反应称为产品的结果。箭头可以解读为“给”,“形式”或“屈服”。

现代化学只有两个世纪的历史。早期的化学的历史可以分为三个时期:魔法;炼金术;和“原始现代”之间的一个过渡时期炼金术,真正现代化学。

炼金术的无菌期

时间的跨度约1世纪的开始广告到17世纪的时期炼金术。炼金术士认为金属可以被转换成黄金的帮助下一个了不起的矿物称为魔法石,找到或使他们永远不会成功。他们确实发现新元素,他们发明了基本的实验室设备和技术,仍由化学家使用。然而,炼金术士学到很少的,是值得的有关物质的基本性质或化学行为。他们失败了,因为他们的基本理论几乎与究竟会产生什么样的化学反应。

等人在13世纪罗杰·培根,组长Albertus马格努斯,雷蒙德吕利开始意识到是多么徒劳的寻找魔法石。他们建议炼金术士们,而寻求帮助世界有用的新产品和方法。

在16世纪,另一个重要的新趋势是领袖泰奥弗拉斯托斯Bombastus冯Hohenheim,咄咄逼人,才华横溢的瑞士使用的拉丁名字帕拉塞尔苏斯。他坚持认为炼金术的对象应该是治愈病人。元素,他说,盐、硫和水星(长与“长生不老药”,另一个不存在的炼金术的物质),他们会给身体健康如果存在适当的比例。在此基础上他练习医学,吸引了众多的追随者。因此开始化学疗法,或化学应用于医学研究和治疗疾病。

的第一个科学化学家罗伯特•博伊尔。1660年,他帮助建立的第一个科学组织在欧洲,伦敦皇家学会。在一本名为《怀疑的化学(1661)他拒绝了先前的理论的组成物质和编译的第一个列表元素,如今已被公认。他还发现了气体的体积和压强的关系。

道尔顿的原子理论

化学家拉瓦锡的结果给了他们的第一个声音理解有关化学反应的本质。下一个里程碑是原子理论,先进的在1805年由一个英语教师,约翰·道尔顿。这一理论指出,问题是由微粒叫做原子,原子,每个元素都有自己的(思想早些时候相比,原子本质上是一样的),而化学变化发生在原子或原子团之间。来支持他的理论道尔顿着手计算几个元素的原子的相对权重。瑞典化学家乔恩·雅各布·贝采里乌斯大大扩展了这项工作在一系列的实验中,他发现准确为大约40元素原子质量。他还发现化学公式对于大多数已知的无机化合物。

最后装备良好的看法的物质和化学反应的本质,化学领域迅速取得进展。大约1811的假说阿米地奥•阿伏伽德罗意大利化学家,分子的数目在给定体积的气体。道尔顿的原子理论,一个元素都有相同的重量,阿伏伽德罗添加以下概念:相同体积的不同气体在同一温度和压力包含相同数量的分子,这两个atom中发现的一些气态元素分子而不是作为独立的原子。这些理论解释了为什么只有一半体积的氧气需要结合大量的一氧化碳(CO)形成二氧化碳(有限公司₂)。氧气是由两个atom分子,和一个氧气分子与两个分子的一氧化碳反应:O₂2 + 2有限公司→有限公司₂。

化学与其他学科的融合

技术进步在化学、物理和生物学在过去几十年导致分解这些以前独立的学科之间的区别。生物化学家和生物物理学家,例如,已经取得了很大的进步在理解光合作用,植物的化学过程利用阳光的能量食物,解开复杂分子的作用DNA在遗传和RNA和蛋白质的合成。生物化学家和分子生物学家也学会了如何从一种生物体DNA转移到另一种修改代码,它指导蛋白质的合成。微生物、植物和动物,被人类DNA的片段作为生活“毒品工厂”生产大量的有价值的人类蛋白质,如胰岛素。研究人员也在研究如何将DNA分子插入人体细胞或化学修改DNA存在为了治疗疾病的人DNA缺失或缺陷。

• 原子。最小的一个元素的一部分保留元素的属性。一个原子无法分解的普通化学手段。
• 化学键。的任何部队涉及电子,原子在分子、晶体和其他稳定的物质形式。
• 化合物。包含两个或两个以上的物质种类的原子的化学结合。原子的化合物可以通过化学方法分离。
• Debye-Huckel方程。一个数学表达式派生阐明电解质的某些属性的解决方案,也就是说,物质的形式出现在解决方案带电粒子(离子)。这样的解决方案通常表现得好像溶解的颗粒的数量是大于或小于实际数量呈现;Debye-Huckel方程考虑了各种离子之间的相互作用,它们之间的差异的主要原因的电解质稀溶液的性质和那些所谓的理想解决方案。
• 元素。一种完全由原子构成的一种物质。它不能被分解化学。
• 亨利定律。一份声明中,气体溶解的液体的重量成正比的压力气体在液体。最早在1803年制定的法律,英国医生和化学家威廉亨利,只有稀溶液和较低的气体压力。
• 质量。物质的量在一个物体或身体。
• 的事。任何质量和占用空间。
• 混合物。一种物质组成的两个或两个以上的元素或化合物,其中每个保留其个人属性。
• 分子。最小的部分化合物的保留化合物的性质。同时,两个或两个以上相同的元素的原子化学结合。原子在分子可以通过化学方法分离。
• 物理变化。形式的改变(固体、液体、气体或等离子体)而不是化学成分。
• 属性。一种物质的特点。物理性质(质量、熔点、硬度等)可以测量和用数字表示。的化学性质(价、电离等)确定一种化学反应的物质。
• 反应(或化学变化)。一种物质的化学成分的变化。

等广泛的分歧无机、有机、物理、分析化学出现早期历史上的主题。聚合物和环境化学等领域开发了20世纪期间,和新的继续出现。专业化的主要领域包括如下。

• 分析化学。领域涉及确定身份(类)的数量和每个元素或化合物存在于样本。定性分析是关于确定样品中元素或化合物的种类。定量分析显示元素的大量存在。分析化学的工具和技术包括分光镜,质量spectograph, x射线轰击,紫外荧光和放射性同位素。
• 生物化学。化学成分的研究生活的物质和化学过程发生在生物体。这个领域是特别重要的在农业、生物学、细菌学、药理学、医学和牙科。
• 化学工程。结合化学和工程开发或改善工业过程使商业数量的理想的化学物质产生只有少量或在实验室。
• 胶体化学。研究物质的粒子的行为,比普通分子但是太小无法用肉眼看到的。粒子在这个尺寸范围有许多独特的性质。胶体化学是关于物质,如橡胶、塑料、布料、病毒、染色体,和气体。工具在这个领域包括超离心机、超显微镜和电子显微镜。
• 电化学。研究化学反应所产生或产生电流。还研究了解决方案和导电性的现象发生在电极。电化学提供化学分析方法和生产化学物质通过电子手段。
• 环境化学。研究自然化学过程,发生在地球上的水、土壤和大气;与生物的关系;和人类的方式会影响他们。化学家们在这一领域经常应用他们所学的知识去监测和控制的影响可能破坏环境的人类活动。
• femtochemistry。出生艾哈迈德·h·Zewail化学家发明了一种快速激光技术使科学家研究原子在化学反应的作用。物理化学的突破创造了一个新的领域。
• 绿色化学。也称为可持续化学、绿色化学的新兴领域寻求预防或减少污染通过化工产品和过程的设计,减少有害物质的使用。
• 无机化学。研究化合物(少数例外)不含碳和它们形成的元素。
• 核化学。研究放射性原子核,核反应,应用放射性同位素的发展在医学和工业。
• 有机化学。碳及其化合物的研究。碳化合物占所有已知的绝大多数化合物。有机化学家研究的化合物中有那些植物和动物组织,石油,碳水化合物,蛋白质,塑料和橡胶。
• 物理化学。物理方法来研究化学的应用问题。包括在这一领域是原子和分子结构;反应速率的理论;反应机理;化学平衡;能量变化的反应;理论的固体、液体、气体、等离子体和解决方案;电化学;和放射性物质。
• 聚合物化学。研究非常大的分子,称为大分子,连接许多简单的化学单位形成的链和网络。高分子化学家感兴趣的是自然和合成材料形成的大分子,包括蛋白质、纤维素和核酸;矿物晶体,如玻璃、塑料和橡胶。
• 立体化学。研究三维分子内原子的安排和物质的物理和化学特性是如何影响不同的安排。两个重要的概念是手性和立体异构现象。分子是手性的,如果它不能被叠加在它的镜像;这样的分子有左,右撇子形式像一双手套。立体异构体分子相同atom-to-atom键但是不同的空间安排。

阿尔弗雷德·b·加勒特

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