Chémia

Chémia sa niekedy nazýva „centrálna veda“, pretože spája a taktiež skúma spojenie s ostatnými prírodnými vedami, akými sú fyzika, materiálová veda, nanotechnológia, biológia, farmácia, bioinformatika a geológia.[2] Tieto spojenia sa formujú rôznymi medzidisciplínovými odvetviami, ktoré používajú koncepty z viacerých vedeckých disciplín, napríklad fyzikálna chémia aplikuje fyzikálny aparát na hmotu na atómovej a molekulárnej úrovni. Presnú podstatu teoretického vzťahu medzi chémiou (a inými tzv. špeciálnymi vedami) a fyzikou je predmetom skúmania filozofie vedy.

Chémia skúma interakcie hmoty. Tieto interakcie môžu byť medzi dvoma materiálnymi substanciami alebo medzi hmotou a energiou, hlavne v súvislosti s prvým termodynamickým zákonom. Tradičná chémia sa zaoberá interakciami medzi látkami v chemických reakciách, kde sa jedna alebo viac látok mení na jednu alebo viac iných látok. Okrem samotnej premeny látok sa často sleduje aj jej energetické hľadisko. Na zápis premeny sa používajú chemické rovnice.

2 H₂ + O₂ → 2 H₂O

Chemické reakcie sa dajú urýchľovať katalyzátormi, čo sú vo všeobecnosti iné chemické látky prítomné počas reakcie, ale samotnej premeny sa nezúčastňujú (príkladom môže byť kyselina sírová katalyzujúca elektrolýzu vody), alebo to môže byť nelátkový jav (napr. elektromagnetické žiarenie vo fotochemických reakciách). Tradičná chémia sa zaoberá aj analýzou chemikálií počas aj mimo reakcií (napr. spektroskopia).

Laboratórium na Ústave biochémie, Kolínska univerzita

Každá zvyčajná látka pozostáva z atómov alebo subatómových častí, ktoré ich tvoria: protóny, elektróny a neutróny. Atómy sa môžu spájať a tak tvoriť zložitejšie látky ako sú ióny, molekuly alebo kryštály. Štruktúra sveta, v ktorom dennodenne žijeme a vlastnosti hmoty, s ktorou sa bežne stretávame, sú dané vlastnosťami chemických látok a ich reakcií. Oceľ je tvrdšia ako železo, pretože jej atómy sú viazané v pevnejšej kryštálovej mriežke. Drevo horí, lebo dokáže reagovať spontánne so vzdušným kyslíkom nad určitou teplotou. Cukor a soľ sa rozpúšťajú vo vode, pretože im to dovoľujú ich molekulárne/iónové vlastnosti.

Látky zvykneme klasifikovať podľa energie alebo skupenstva a množstva rozpustnej látky, ako aj podľa ich chemického zloženia. Tri látkové skupenstvá pri nízkej energii sú pevné, kvapalné a plynné. Pevné látky majú nemenný vzhľad za normálnej teploty kvôli fixným štruktúram, ktoré dokážu odolávať gravitácii a iným slabým silám vďaka pevným väzbám. Kvapaliny majú obmedzené väzby so žiadnou vnútornou štruktúrou, a tak tečú, lebo ich ovplyvňuje gravitácia. Plyny nemajú žiadne väzby a správajú sa ako voľné častice.Viac vecí sa ešte skúma.

Voda (H₂O) je kvapalina pri bežnej teplote, pretože jej molekuly sú viazané medzimolekulovými väzbami nazývanými vodíkové väzby. Teda tieto sily medzi molekulami sú natoľko veľké, že energia molekúl pri izbovej teplote nie je dosť veľká, aby ich prelomila. Monosulfán (H₂S) je na druhej strane pri izbovej teplote a atmosférickom tlaku plyn, keďže jeho molekuly sú viazané slabšími interakciami dipól-dipól. Vodíkové väzby vo vode majú dostatok energie, aby udržali molekuly vody pohromade, ale nie dosť na to, aby sa nekĺzali medzi sebou, čo je dôvod, prečo je voda v tekutom stave medzi 0 °C a 100 °C. Zníženie teploty alebo energie umožňuje formovanie súdržnejšej štruktúry, čim sa premieňa na pevnú látku a uvoľňuje energiu. Zvýšenie energie ľad roztopí, aj keď teplota sa nezmení, pokiaľ nebude roztopený celý ľad. Ďalšie zvýšenie teploty vody spôsobí jej var, keď sa dostaví dostatok energie na prekonanie polárnych príťažlivých síl medzi jednotlivými molekulami vody. Všimnime si, že v každom prípade je nutný prísun energie na prekonanie medzimolekulových síl, čo umožní ich navzájom oddeliť.

Vedci študujúci chémiu sa nazývajú chemici. Väčšina chemikov sa špecializuje na jednu alebo niekoľko jej poddisciplín. Chémia, ktorá sa vyučuje na základných a stredných školách, sa označuje aj ako všeobecná chémia a slúži ako úvod do širokej palety fundamentálnych konceptov a dáva študentovi nástroje, aby mohol pokračovať v štúdiu pokročilejších tém.

Do 19. storočia sa chémia členila len na anorganickú a organickú chémiu, pričom organická chémia sa definovala ako chémia zaoberajúca sa látkami, ktoré môžu vzniknúť len prostredníctvom živočíšnych alebo rastlinných organizmov pomocou sily „vis vitalis“.

V súčasnosti sa chémia delí na:

• Všeobecná chémia - zaoberá sa základmi, ktoré sú spoločné všetkým oblastiam chémie (napr. stavbou atómov, chemickými väzbami atď.); často sa považuje za samostatnú oblasť chémie.
• Organická chémia - zaoberá sa zlúčeninami uhlíka a vodíka (uhľovodíky) a ich derivátmi. Organická chémia sa delí na:
  • Teoretická organická chémia
  • Preparatívna organická chémia
  • Zvláštnou oblasťou organickej chémie je makromolekulová chémia, skúmajúca vlastnosti, štruktúru a prípravu makromolekulových látok
• Anorganická chémia - zaoberá sa chemickými prvkami a ich zlúčeninami, okrem tých, ktoré sú predmetom organickej chémie. Delí sa nasledovne:
  • Teoretická chémia - všeobecná chémia, ktorej základnou oblasťou skúmania je kvantová chémia (pozri dole), čiže riešenie chemických problémov pomocou kvantovej mechaniky
  • Preparatívna anorganická chémia
  • Geochémia
  • Kryštalochémia
  • Chémia komplexov
• Fyzikálna chémia - zaoberá sa fyzikálnymi vlastnosťami chemických zlúčenín a chemických reakcií a kvantitatívne spracúva všeobecné zákonitosti pre všetky oblasti chémie. Delí sa nasledovne:
  • náuka o štruktúre atómov a zlúčenín
  • interakcia elektromagnetického žiarenia s atómami a zlúčeninami (skúmanie zmien v štruktúre atómov a zlúčenín pri pôsobení röntgenového, ultrafialového, viditeľného, mikrovlnného a rádiofrekvenčného žiarenia)
  • termochémia
  • termodynamika
  • chemická kinetika
  • elektrochémia
  • koloidná chémia
• Analytická chémia - zaoberá sa dôkazom a kvantitatívnym určením prvkov a zlúčenín, najmä chemickým zložením zlúčenín a zmesí zlúčenín. Delí sa takto:
  • kvalitatívna analýza (o povahe prvku alebo zlúčeniny v skúmanej látke)
  • kvantitatívna analýza (o množstve a koncentrácii zisteného prvku alebo zlúčeniny)
• Rádiochémia - zaoberá sa fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami, získavaním a koncentrovaním rádioaktívnych izotopov a študuje jadrové premeny. Patrí sem napr.:
  • Radiačná chémia
  • Aplikovaná rádiochémia
• Technická chémia (Chemická technológia):zaoberá sa výrobou a použitím prakticky dôležitých zlúčenín, najmä kovov; minerálnych kyselín a zásad; agrochemikálií, hnojív, stavebných látok; minerálnych hnojív; farieb, lakov, rozpúšťadiel; liečiv; výbušnín; plastických látok, syntetických vlákien
• Biochémia - zaoberá chemickými problémami v biológii a medicíne, čiže sa zaoberá živými organizmami z chemického hľadiska.

Z fyzikálnej chémie sa vyvinuli zvláštne oblasti:

• chemická fyzika - zaoberá sa štruktúrou molekúl za využitia výsledkov fyziky a a iných vied
• kvantová chémia - zaoberá sa štruktúrou a vlastnosťami atómov a molekúl, pričom aplikuje výsledky kvantovej mechaniky na riešenie teoretických problémov chémie
• chemické inžinierstvo - zaoberá sa zákonitosťami chemických a fyzikálnych dejov v priemyselnom meradle, pričom aplikuje fyzikálnu chémiu v priemysle

Preparatívna chémia (Syntetická chémia) – hore rozdelená medzi organickú a anorganickú chémiu – sa zaoberá umelou výrobou chemických látok.