化学

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化学者の油絵（1932年にヘンリーカ・サンテルが描いたアナ・カンスキー）

化学は、物質の性質と振る舞いに関する科学的研究です。[1]原子、分子、イオンで構成される化合物の物質を構成する要素、つまりそれらの組成、構造、特性、挙動、および他の物質との反応中に受ける変化を網羅するのは自然科学です。[2] [3] [4] [5]

その主題の範囲では、化学は物理学と生物学の中間の位置を占めています。[6]基礎科学と応用科学の両方を基礎レベルで理解するための基礎を提供するため、セントラルサイエンスと呼ばれることもあります。[7]たとえば、化学は、植物化学（植物学）、火成岩の形成（地質学）、大気オゾンの形成方法と環境汚染物質の分解方法（生態学）、月の土壌の特性（宇宙化学）の側面を説明します。 ）、薬のしくみ（薬理学）、および犯罪現場でDNA証拠を収集する方法（法医学）。

化学は、原子と分子が化学結合を介してどのように相互作用して新しい化合物を形成するかなどのトピックに対処します。化学結合には次の2つのタイプがあります。1。原子が1つまたは複数の電子を共有する共有結合などの主要な化学結合。イオン結合。1つの原子が1つまたは複数の電子を別の原子に供与して、イオン（陽イオンおよび陰イオン）を生成します。金属結合および2.二次化学結合（水素結合など）。ファンデルワールス力結合、イオン-イオン相互作用、イオン-双極子相互作用など。

語源

化学という言葉は、錬金術という言葉の修正に由来します。これは、化学、冶金学、哲学、占星術、天文学、神秘主義、医学の要素を含む初期の一連の実践を指します。錬金術は、鉛やその他の卑金属を金に変えるという探求に関連していると見なされることがよくありますが、錬金術師は現代の化学の問題の多くにも興味を持っていました。[8]

現代の錬金術という言葉は、アラビア語のal-kīmīā（الكیمیاء ）から派生しています。al-kīmīāは古代ギリシャ語のχημίαに由来し、Kemetはエジプト語でエジプトの古代の名前であるため、これはエジプトに由来する可能性があります。[9]あるいは、al-kīmīāは χημεία「一緒にキャスト」から派生する場合があります。[10]

現代の原則

ドイツのケルン大学生化学研究所の研究室。

原子構造の現在のモデルは、量子機械モデルです。[11]従来の化学は、素粒子、原子、分子、[12] 物質、金属、結晶、その他の物質の集合体の研究から始まります。物質は、固体、液体、気体、プラズマの状態で、単独で、または組み合わせて研究できます。相互作用、反応化学で研究されている変換は通常、原子間の相互作用の結果であり、原子を一緒に保持する化学結合の再配列につながります。そのような振る舞いは化学実験室で研究されています。

化学実験室は、典型的にはさまざまな形の実験用ガラス器具を使用します。ただし、ガラス器具は化学の中心ではなく、多くの実験的（および応用/工業用）化学がそれなしで行われます。

異なる色で照らされた、水酸化アンモニウムや硝酸などの試薬ボトル内の物質の溶液

化学反応は、いくつかの物質を1つまたは複数の異なる物質に変換することです。[13]このような化学変換の基礎は、原子間の化学結合における電子の再配列です。これは、通常、原子を対象とする化学反応式によって象徴的に表すことができます。化学反応式の左右の原子数は同じです。（両側の原子数が等しくない場合、変換は核反応または放射性崩壊と呼ばれます。）物質が受ける可能性のある化学反応のタイプとそれに伴うエネルギー変化は、特定の基本的な規則によって制約されます。として知られている化学の法則。

エネルギーとエントロピーの考慮事項は、ほとんどすべての化学研究で常に重要です。化学物質は、その構造、相、および化学組成によって分類されます。それらは、化学分析のツール、例えば分光法やクロマトグラフィーを使用して分析することができます。化学研究に従事する科学者は化学者として知られています。[14]ほとんどの化学者は、1つまたは複数のサブ分野を専門としています。化学の研究にはいくつかの概念が不可欠です。それらのいくつかは次のとおりです。[15]

案件

化学では、物質は静止質量と体積を持ち（スペースを占める）、粒子で構成されているものとして定義されます。物質を構成する粒子にも静止質量があります。光子など、すべての粒子に静止質量があるわけではありません。物質は、純粋な化学物質または物質の混合物である可能性があります。[16]

原子

ボーア模型に基づく原子の図

原子は化学の基本単位です。これは、電子雲が占める空間に囲まれた原子核と呼ばれる高密度のコアで構成されています。原子核は正に帯電した陽子と非荷電の中性子（まとめて核子と呼ばれます）で構成され、電子雲は原子核を周回する負に帯電した電子で構成されます。中性原子では、負に帯電した電子が陽子の正の電荷と釣り合います。核は密集しています。核子の質量は電子の約1,836倍ですが、原子の半径は原子核の約10,000倍です。[17] [18]

原子は、電気陰性度、イオン化ポテンシャル、好ましい酸化状態、配位数、形成する結合の好ましいタイプ（金属、イオンなど）など、元素の化学的特性を保持するために想定できる最小のエンティティでもあります。 、共有）。

エレメント

化学元素の周期表の標準形。色は要素のさまざまなカテゴリを表します

化学元素は、単一のタイプの原子で構成される純粋な物質であり、原子番号と呼ばれ、記号Zで表される、その原子の核内の特定の数のプロトンによって特徴付けられます。質量数は、原子核内の陽子と中性子の数の合計です。1つの元素に属するすべての原子のすべての原子核は同じ原子番号を持ちますが、必ずしも同じ質量数を持っているとは限りません。質量数が異なる元素の原子は、同位体として知られています。たとえば、原子核に6つの陽子を持つすべての原子は、化学元素の炭素の原子ですが、炭素の原子の質量数は12または13の場合があります。[18]

化学元素の標準的な表示は、原子番号で元素を並べ替える周期表にあります。周期表は、グループ、または列、および期間、または行に配置されます。周期表は、周期的な傾向を特定するのに役立ちます。[19]

化合物

化合物の一例である二酸化炭素（CO 2 ）

化合物は、複数の元素で構成される純粋な化学物質です。化合物の特性は、その元素の特性とほとんど類似していません。[20]化合物の標準的な命名法は、国際純正応用化学連合（IUPAC）によって設定されています。有機化合物は、有機命名法に従って命名されています。[21]無機化合物の名前は、無機命名体系に従って作成されています。化合物に複数の成分がある場合、それらは電気陽性成分と電気陰性成分の2つのクラスに分類されます。[22]さらにChemical Abstracts Serviceは、化学物質のインデックスを作成する方法を考案しました。このスキームでは、各化学物質は、 CAS登録番号と呼ばれる番号で識別できます。

分子

カフェイン分子（C 8 H 10 N 4 O 2 ）の球棒モデル。

分子は、純粋な化学物質の最小の不可分な部分であり、独自の一連の化学的特性、つまり、他の物質との特定の一連の化学反応を受ける可能性があります。ただし、この定義は分子で構成される物質に対してのみ有効であり、多くの物質には当てはまりません（以下を参照）。分子は通常、共有結合によって結合された原子のセットであり、構造は電気的に中性であり、すべての価電子は結合または孤立電子対のいずれかで他の電子とペアになります。

したがって、分子はイオンとは異なり、電気的に中性の単位として存在します。この規則が破られ、「分子」に電荷が与えられると、その結果は分子イオンまたは多原子イオンと呼​​ばれることがあります。ただし、分子概念の離散的で別個の性質は、通常、分子イオンが、質量分析計の真空中の指向性ビームなど、十分に分離された形でのみ存在することを必要とします。固体に存在する荷電多原子コレクション（たとえば、一般的な硫酸イオンまたは硝酸イオン）は、一般に化学では「分子」とは見なされません。一部の分子には1つまたは複数の不対電子が含まれており、ラジカルが生成されます。ほとんどのラジカルは比較的反応性がありますが、一酸化窒素（NO）などの一部は安定している可能性があります。

ベンゼン分子の2次元構造式（C 6 H 6）

「不活性」または希ガス元素（ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン）は、最小の個別の単位として孤立した原子で構成されていますが、他の孤立した化学元素は、互いに結合した分子または原子のネットワークで構成されています何らかの方法で。識別可能な分子は、水、空気などの身近な物質、およびアルコール、砂糖、ガソリン、さまざまな医薬品などの多くの有機化合物を構成します。

しかし、すべての物質や化合物が個別の分子で構成されているわけではなく、実際、地殻、マントル、地球のコアを構成する固体物質のほとんどは、分子を含まない化合物です。イオン性化合物やネットワーク固体などのこれらの他のタイプの物質は、識別可能な分子自体の存在を欠くように編成されています。代わりに、これらの物質は、物質内の最小の繰り返し構造として、式単位または単位セルの観点から説明されています。このような物質の例としては、ミネラル塩（食卓塩など）、炭素やダイヤモンドなどの固体、金属、おなじみのシリカなどがあります。石英や花崗岩などの ケイ酸塩鉱物。

分子の主な特徴の1つは、しばしばその構造と呼ばれるその形状です。二原子、三原子、または四原子分子の構造は些細なものかもしれませんが（線形、角ピラミッドなど）、6つ以上の原子（いくつかの元素）で構成される多原子分子の構造は、その化学的性質にとって重要な場合があります。

物質と混合物

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Diamantsmaclés2（Républiqued'Afriquedu Sud）.jpg 砂糖2xmacro.jpg
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純粋な化学物質の例。左から右へ：元素スズ（Sn）と硫黄（S）、ダイヤモンド（炭素の同素体）、スクロース（純糖）、塩化ナトリウム（塩）と重曹（重曹）、どちらもイオン性化合物。

化学物質は、明確な組成と一連の特性を持つ一種の物質です。[23]物質の集まりは混合物と呼ばれます。混合物の例は空気と合金です。[24]

モルと物質量

モルは、物質量（化学量とも呼ばれます）を表す測定単位です。1モルは正確に含むように定義されています6.022 14076 × 1023粒子（原子、分子、イオン、または電子）。ここで、1モルあたりの粒子数はアボガドロ定数として知られています。[25] モル濃度は、溶液の体積あたりの特定の物質の量であり、通常、mol / dm3で報告されます。[26]

段階

相間の関係と相変化を説明するために使用される用語を示す図。

さまざまな化学分類を区別する特定の化学的性質に加えて、化学物質はいくつかの段階で存在する可能性があります。ほとんどの場合、化学分類はこれらのバルク相分類から独立しています。ただし、いくつかのよりエキゾチックな相は、特定の化学的性質と互換性がありません。相は、圧力や温度などのさまざまな条件にわたって、同様のバルク構造特性を持つ化学システムの状態のセットです。

密度や屈折率などの物理的特性は、相に特徴的な値の範囲内に収まる傾向があります。物質の相は、相転移によって定義されます。相転移とは、システムに出入りするエネルギーが、バルク状態を変更するのではなく、システムの構造を再配置することです。

時々、相間の区別は、離散的な境界を持つ代わりに連続的である可能性があります。この場合、問題は超臨界状態にあると見なされます。条件に基づいて3つの状態が満たされる場合、それは三重点と呼ばれ、これは不変であるため、一連の条件を定義するための便利な方法です。

相の最もよく知られている例は、固体、液体、および気体です。多くの物質は複数の固相を示します。たとえば、温度と圧力に基づいて変化する固体鉄の3つのフェーズ（アルファ、ガンマ、およびデルタ）があります。固相間の主な違いは、原子の結晶構造または配置です。化学の研究で一般的に遭遇する別の相は、水相です。これは、水溶液（つまり、水）に 溶解した物質の状態です。

あまり馴染みのない相には、プラズマ、ボーズ・アインシュタイン凝縮、フェルミ凝縮、および磁性材料の常磁性相と強磁性相が含まれます。最もよく知られているフェーズは3次元システムを扱いますが、生物学のシステムとの関連性で注目されている2次元システムでアナログを定義することも可能です。

ボンディング

ナトリウム（Na）と塩素（Cl）の間のイオン結合が塩化ナトリウム、または一般的な食卓塩を形成するプロセスのアニメーション。イオン結合では、1つの原子が別の原子から価電子を取得します（共有結合で発生する共有とは対照的です）。

分子や結晶にくっついている原子は、互いに結合していると言われています。化学結合は、原子核内の正電荷とそれらの周りで振動する負電荷の間の多重極バランスとして視覚化できます。[27]単純な引力と斥力以上に、エネルギーと分布は、別の原子に結合する電子の利用可能性を特徴づけます。

化学結合は、共有結合、イオン結合、水素結合、またはファンデルワールス力のためだけになります。これらの種類の結合のそれぞれは、いくつかの可能性に起因しています。これらのポテンシャルは、分子または結晶内で原子をまとめる相互作用を生み出します。多くの単純な化合物では、原子価殻電子対、原子価殻電子対反発モデル（VSEPR）、および酸化数の概念を使用して、分子の構造と組成を説明できます。

イオン結合は、金属が1つまたは複数の電子を失って正に帯電した陽イオンになり、次に非金属原子によって電子が獲得されて負に帯電した陰イオンになるときに形成されます。2つの反対に帯電したイオンは互いに引き付け合い、イオン結合はそれらの間の静電引力です。たとえば、金属であるナトリウム（Na）は1つの電子を失ってNa +カチオンになり、非金属である塩素（ Cl）はこの電子を獲得してCl-になります。静電引力によりイオンが結合し、その化合物である塩化ナトリウム（NaCl）または一般的な食卓塩が形成されます。

メタン分子（CH 4 ）では、炭素原子は4つの水素原子のそれぞれと1対の価電子を共有します。したがって、オクテット則はC原子（価電子殻に8つの電子を持っている）で満たされ、デュエット則はH原子（価電子殻に2つの電子を持っている）で満たされます。

共有結合では、価電子の1つまたは複数のペアが2つの原子によって共有されます。結果として生じる電気的に中性の結合原子のグループは分子と呼ばれます。原子は、原子ごとに希ガス電子配置（最外殻に8個の電子）を作成するような方法で価電子を共有します。それぞれが原子価殻に8つの電子を持つように結合する傾向がある原子は、オクテット則に従うと言われます。ただし、水素やリチウムなどの一部の元素は、この安定した構成を実現するために、最外殻に2つの電子しか必要としません。これらの原子はデュエットの法則に従うと言われています、そしてこのようにして、それらは、外殻に2つの電子を持つ 希ガスヘリウムの電子配置に到達しています。

同様に、古典物理学の理論を使用して、多くのイオン構造を予測することができます。金属錯体などのより複雑な化合物では、原子価結合理論はあまり適用できず、分子軌道理論などの代替アプローチが一般的に使用されます。電子軌道の図を参照してください。

エネルギー

化学の文脈では、エネルギーは、その原子、分子、または凝集体の構造の結果としての物質の属性です。化学変換は、これらの種類の構造の1つまたは複数の変化を伴うため、関与する物質のエネルギーの増減を常に伴います。一部のエネルギーは、熱または光の形で周囲と反応の反応物の間で伝達されます。したがって、反応の生成物は、反応物よりも多かれ少なかれエネルギーを持っている可能性があります。

最終状態が初期状態よりもエネルギースケールで低い場合、反応は発エルゴン反応であると言われます。吸エルゴン反応の場合、状況は逆です。反応が周囲に熱を放出する場合、反応は発熱性であると言われます。吸熱反応の場合、反応は周囲から熱を吸収します。

反応物が活性化エネルギーとして知られるエネルギー障壁を超えない限り、化学反応は常に不可能です。化学反応の速度（与えられた温度Tで）は、ボルツマンの人口係数によって、活性化エネルギーEに関連しています。–これは、特定の温度Tで分子がE以上のエネルギーを持つ確率です。反応速度の温度へのこの指数関数的な依存性は、アレニウスの式として知られています。化学反応が起こるのに必要な活性化エネルギーは、熱、光、電気、または超音波の形の機械的な力の形をとることができます。[28]

エントロピーの考慮事項も組み込んだ関連概念の自由エネルギーは、化学熱力学において、反応の実現可能性を予測し、化学反応の平衡状態を決定するための非常に有用な手段です。反応は、ギブズの自由エネルギーの総変化が負の場合にのみ実行可能です。; それがゼロに等しい場合、化学反応は平衡状態にあると言われます。

電子、原子、分子のエネルギーの可能な状態は限られています。これらは、束縛システムのエネルギーの量子化を必要とする量子力学の規則によって決定されます。高エネルギー状態の原子/分子は励起されていると言われます。励起されたエネルギー状態にある物質の分子/原子は、多くの場合、はるかに反応性が高くなります。つまり、化学反応をより受けやすくなります。

物質の相は、常にそのエネルギーとその周囲のエネルギーによって決定されます。物質の分子間力が周囲のエネルギーがそれらを克服するのに十分でないようなものである場合、それは水（H 2 O）の場合のように液体または固体のようなより秩序だった相で発生します。その分子が水素結合によって結合されているため、室温で液体。[29]硫化水素（H 2 S）は室温および標準圧力の気体であるのに対し、その分子はより弱い双極子-双極子相互作用によって結合されます。

ある化学物質から別の化学物質へのエネルギーの移動は、ある物質から放出されるエネルギー量子のサイズに依存します。ただし、物質の振動および回転エネルギーレベルの原因となるフォノンは光子よりもはるかに少ないエネルギーを持っているため、熱エネルギーはほとんどすべての物質から別の物質に簡単に伝達されることがよくあります。電子エネルギー伝達のために呼び出されます。したがって、振動および回転エネルギーレベルは電子エネルギーレベルよりも間隔が狭いため、熱は、光または他の形態の電子エネルギーと比較して、物質間でより容易に伝達されます。たとえば、紫外線電磁放射は、熱エネルギーや電気エネルギーほど効果的に物質から物質に伝達されません。

さまざまな化学物質の特徴的なエネルギーレベルの存在は、スペクトル線の分析によるそれらの識別に役立ちます。化学分光法では、IR、マイクロ波、NMR、ESRなど、さまざまな種類のスペクトルがよく使用されます。分光法は、放射スペクトルを分析することにより、星や遠方の銀河などの遠隔物体の組成を特定するためにも使用されます。

鉄の発光スペクトル

化学エネルギーという用語は、化学物質が化学反応によって変換される可能性、または他の化学物質を変換する可能性を示すためによく使用されます。

反応

化学反応の間に、原子間の結合が壊れて形成され、異なる特性を持つ異なる物質が生成されます。高炉では、化合物である酸化鉄が一酸化炭素と反応して、化学元素の1つである鉄と二酸化炭素を生成します。

化学物質が他の物質やエネルギーとの相互作用の結果として変換されるとき、化学反応が起こったと言われます。したがって、化学反応は、混合物であろうと溶液であろうと、物質が他の物質と密接に接触したときの物質の「反応」に関連する概念です。何らかの形のエネルギーへの曝露、またはその両方。それは、反応の構成要素間、およびシステム環境との間でいくらかのエネルギー交換をもたらします。システム環境は、設計された容器である場合があります。多くの場合、実験用ガラス器具です。

化学反応は、分子の形成または解離、すなわち、分子が分解して2つ以上の分子を形成するか、分子内または分子間で原子の再配列を引き起こす可能性があります。化学反応は通常、化学結合の形成または切断を伴います。酸化、還元、解離、酸塩基中和、および分子転位は、一般的に使用される種類の化学反応の一部です。

化学反応は、化学反応式で象徴的に表すことができます。非核化学反応では、方程式の両側の原子の数と種類は同じですが、核反応の場合、これは核粒子にのみ当てはまります。陽子と中性子。[30]

化学反応の過程で化学結合の再編成が行われる可能性のある一連のステップは、そのメカニズムと呼ばれます。化学反応は、それぞれが異なる速度を有する可能性があるいくつかのステップで起こると想定することができる。したがって、反応の過程で、安定性が変化する多くの反応中間体を想定することができます。反応メカニズムは、反応の速度論と相対的な生成物の混合を説明するために提案されています。多くの物理化学者は、さまざまな化学反応のメカニズムの調査と提案を専門としています。ウッドワード・ホフマン規則のようないくつかの経験的規則は、化学反応のメカニズムを提案する際に役立つことがよくあります。

IUPACゴールドブックによると、化学反応は「化学種の相互変換をもたらすプロセス」です。[31]したがって、化学反応は素反応または段階的反応であり得る。この定義には、配座異性体の相互変換が実験的に観察できる場合が含まれるという点で、追加の注意が必要です。このような検出可能な化学反応は通常、この定義で示されるように分子実体のセットを含みますが、単一の分子実体を含む変化（つまり「微視的化学イベント」）にもこの用語を使用すると概念的に便利なことがよくあります。

イオンと塩

K +陽イオンとCl-陰イオンの引力によって形成される塩である塩化カリウム（KCl）の結晶格子構造。イオン性化合物の全体的な電荷がゼロであることに注意してください。

イオンは、1つまたは複数の電子を失ったり、獲得したりした荷電種、原子、または分子です。原子が電子を失い、したがって電子よりも多くの陽子を持っている場合、その原子は正に帯電したイオンまたは陽イオンです。原子が電子を獲得し、陽子よりも多くの電子を持っている場合、その原子は負に帯電したイオンまたは陰イオンです。陽イオンと陰イオンは、塩化ナトリウムまたはNaClを形成するNa +およびCl-イオンなどの中性塩の結晶格子を形成する可能性があります。酸塩基反応中に分裂しない多原子イオンの例は、水酸化物（ OH −）およびリン酸塩（PO 4 3-）。

プラズマは、通常は高温によって完全にイオン化されたガス状物質で構成されています。

酸性度と塩基性度

臭化水素は二原子分子として気相に存在します

物質は多くの場合、酸または塩基として分類できます。酸塩基の振る舞いを説明するいくつかの異なる理論があります。最も単純なのはアレニウス理論で、酸は水に溶解するとヒドロニウムイオンを生成する物質であり、塩基は水に溶解すると水酸化物イオンを生成する物質であると述べています。ブレンステッド-ローリー酸-塩基理論によると、酸は化学反応で別の物質に正の水素 イオンを供与する物質です。ひいては、塩基はその水素イオンを受け取る物質です。

3番目の一般的な理論は、新しい化学結合の形成に基づくルイス酸-塩基理論です。ルイス理論は、酸は結合形成の過程で別の物質から電子対を受け入れることができる物質であり、塩基は新しい結合を形成するために電子対を提供できる物質であると説明しています。この理論によれば、交換される重要なものは料金です。[32] [信頼できない情報源？]この概念の歴史から明らかなように、物質を酸または塩基として分類する方法は他にもいくつかあります。[33]

酸の強さは一般的に2つの方法で測定されます。酸性度のアレニウスの定義に基づく1つの測定値は、負の対数スケールで表される、溶液中のヒドロニウムイオン濃度の測定値であるpHです。したがって、pHが低い溶液は、ヒドロニウムイオン濃度が高く、より酸性であると言えます。ブレンステッド-ローリーの定義に基づくもう1つの測定値は、酸解離定数（K a）です。これは、ブレンステッド-ローリーの酸の定義の下で、物質が酸として作用する相対的な能力を測定します。つまり、K aが高い物質は、Kaが低い物質よりも化学反応で水素イオンを供与する可能性が高くなります。値。

レドックス

酸化還元（酸化還元）反応には、電子を獲得する（還元）または電子を失う（酸化）ことによって原子の酸化状態が変化するすべての化学反応が含まれます。他の物質を酸化する能力を持っている物質は酸化性であると言われ、酸化剤、酸化剤または酸化剤として知られています。酸化剤は別の物質から電子を取り除きます。同様に、他の物質を還元する能力を持つ物質は還元性であると言われ、還元剤、還元剤、または還元剤として知られています。

還元剤は電子を別の物質に移動させるため、それ自体が酸化されます。また、電子を「供与」するため、電子供与体とも呼ばれます。酸化と還元は、適切には酸化数の変化を指します。実際の電子の移動は決して起こらない可能性があります。したがって、酸化は酸化数の増加としてより適切に定義され、還元は酸化数の減少として定義されます。

平衡

平衡の概念は科学全体で広く使用されていますが、化学の文脈では、たとえば、互いに反応する可能性のあるいくつかの化合物の混合物など、化学組成のさまざまな状態が可能な場合はいつでも発生します。または、物質が複数の種類の相に存在する可能性がある場合。

平衡状態にある化学物質のシステムは、組成が変化していなくても、ほとんどの場合静的ではありません。物質の分子は互いに反応し続け、動的平衡を引き起こします。したがって、この概念は、化学組成などのパラメータが時間の経過とともに変化しない状態を表します。

化学の法則

化学反応は、化学の基本的な概念となっている特定の法律に準拠しています。それらのいくつかは次のとおりです。

歴史

化学の歴史は非常に古い時代から現在までの期間に及びます。紀元前数千年以来、文明は最終的に化学のさまざまな分野の基礎を形成する技術を使用していました。例としては、鉱石からの金属の抽出、陶器と釉薬の製造、ビールとワインの発酵、薬と香水の植物からの化学物質の抽出、脂肪の石鹸へのレンダリング、ガラスの製造、青銅のような合金の製造などがあります。化学の前には、そのプロトサイエンス、錬金術がありました、これは、物質の構成要素とそれらの相互作用を理解するための直感的ですが非科学的なアプローチです。物質の性質とその変換を説明することはできませんでしたが、実験を行い、結果を記録することによって、錬金術師は現代の化学の舞台を設定しました。錬金術とは異なる知識体系としての化学は、ロバート・ボイルが彼の作品「懐疑的化学者」（1661）で明確に区別したときに現れ始めました。錬金術と化学の両方が物質とその変換に関係している一方で、決定的な違いは化学者が科学的な方法によって与えられました彼らの仕事に雇われた。化学は、化学現象の注意深い測定と定量的観察を要求する質量保存の法則を開発したアントワーヌ・ラヴォワジエの研究によって確立された科学になったと考えられています。化学の歴史は、特にウィラードギブスの研究を通じて、熱力学の歴史と絡み合っています。[34]

意味

新しい発見や理論が科学の機能に追加されるにつれて、化学の定義は時間とともに変化しました。「キミストリー」という用語は、1661年に著名な科学者ロバートボイルの見解では、混合体の物質的原理の主題を意味していました。[35] 1663年、化学者のクリストファーグラゼルは、「キミストリー」を科学芸術として説明しました。これにより、体を溶かし、それらから組成物上のさまざまな物質を引き出し、それらを再び結合して、より高い完成度。[36]

ゲオルク・エルンスト・スタールが使用した「化学」という言葉の1730年の定義は、混合体、複合体、または集合体をそれらの原理に分解する技術を意味しました。そしてそれらの原則からそのような体を構成すること。[37] 1837年、ジャン＝バティストデュマは、分子間力の法則と効果に関係する科学を指すために「化学」という言葉を検討しました。[38]この定義は、1947年に物質の科学を意味するようになるまでさらに進化しました。物質の構造、特性、および物質を他の物質に変える反応-ライナス・ポーリングによって受け入れられた特性。[39]最近では、1998年にレイモンドチャン教授「化学」の定義を広げて、物質とそれが受ける変化の研究を意味します。[40]

規律

デモクリトスの原子論哲学は、後にエピクロス（341–270 BCE）によって採用されました。

エジプト人[41] 、バビロニア人、インド人[42]などの初期の文明は、冶金、陶器、染料の芸術に関する実践的な知識を蓄積しましたが、体系的な理論を発展させませんでした。

基本的な化学仮説は、火、空気、土、水がすべてが組み合わされて形成される基本的な要素であるとアリストテレスが明確に提唱した4つの要素の理論とともに、古典ギリシアで最初に登場しました。ギリシャの原子論は紀元前440年にさかのぼり、デモクリトスやエピクロスなどの哲学者の作品から生まれました。紀元前50年に、ローマの哲学者ルクレティウスは彼の著書De rerum natura（On The Nature of Things）の理論を拡張しました。[43] [44]現代の科学の概念とは異なり、ギリシャの原子論は本質的に純粋に哲学的であり、経験的観察にはほとんど関心がなく、化学実験にも関心がなかった。[45]

質量保存の法則の初期の形は、エンペドクレス（紀元前4世紀頃）に見られる古代ギリシャ哲学の「無からは何も生じない」という概念です。ないものから、そしてそれをもたらすことも聞くこともできません。それは完全に破壊されるべきです。」[46]とエピクロス（紀元前3世紀）は、宇宙の性質を説明し、「物事の全体は常に現在のようであり、これからもそうなるだろう」と書いています。[47]

ペルソアラブの錬金術師であり、有機化学のパイオニアであるジャービル・ブン・ハヤン（Geber）の15世紀の芸術的印象。

ヘレニズムの世界では、錬金術の芸術が最初に増殖し、魔法とオカルトを混ぜ合わせて、元素を金に変換し、永遠の生命の秘薬を発見するという究極の目標を持った天然物質の研究に取り入れました。[48]作業、特に蒸留の開発はビザンチン時代初期に続けられ、最も有名な開業医はパノポリスの4世紀のギリシャ-エジプトのゾシモスでした。[49]錬金術は、イスラム教徒の征服後[50]、そしてそこから、そしてビザンチンの残党から、アラブ世界全体で開発され、実践され続けた。[51]ラテン語の翻訳を通じて 、中世およびルネッサンス期のヨーロッパに広まった。

Jabir ibn Hayyanによるアラビア語の作品は、化学物質の体系的な分類を導入し、化学的手段によって有機物質（植物、血液、髪など）から無機化合物（サルアンモニアまたは塩化アンモニウム）を導出するための指示を提供しました。[52]いくつかのアラビア語のジャービルの作品（例えば、「慈悲の書」や「七十の書」）は、後にラテン語の名前「Geber」[53]でラテン語に翻訳され、13世紀のヨーロッパでは匿名の作家でした。 、通常は偽ゲベルと呼ばれ、この名前で錬金術と冶金の著作を作成し始めました。[54]Abūal-Rayhānal-Bīrūnī [55]やAvicenna [56]などの後に影響力のあるイスラム哲学者は、錬金術の理論、特に金属の核変換の理論に異議を唱えました。

サー・フランシス・ベーコンらによって提唱された新しい経験的方法の影響下で、オックスフォード、ロバート・ボイル、ロバート・フック、ジョン・メーヨーの化学者のグループは、古い錬金術の伝統を科学分野に作り変え始めました。特にボイルは、彼の最も重要な仕事である古典的な化学のテキストである懐疑的化学者のために、化学の創始者と見なされています。ここでは、錬金術の主張と新しい化学の経験的科学的発見が区別されています。[57]彼はボイルの法則を定式化したは、古典的な「4つの元素」を拒否し、厳密な実験の対象となる可能性のある原子と化学反応の機械的な代替案を提案しました。[58]

アントワーヌ・ラヴォワジエは「現代化学の父」と見なされています。[59]

フロギストン説（すべての燃焼の根底にある物質）は、18世紀初頭にドイツのゲオルク・エルンスト・スタールによって提唱され、世紀末までにフランスの化学者アントワーヌ・ラヴォワジエによって覆されました。物理; 質量保存の法則を解明し、今日まで使用されている化学命名法の新しいシステムを開発することにより、適切な理論的基盤に関する新しい科学を確立するために他の何よりも努力した。[60]

しかし、彼の仕事の前に、多くの重要な発見がなされました。特に、多くの異なるガスで構成されていることが発見された「空気」の性質に関連しています。スコットランドの化学者ジョセフブラック（最初の実験化学者）とフランドルのヤンバプテストファンヘルモントは、1754年に二酸化炭素またはブラックが「固定空気」と呼んだものを発見しました。ヘンリー・キャベンディッシュは水素を発見し、その特性を解明し、ジョセフ・プリーストリーとは独立して、カール・ヴィルヘルム・シェールが純粋な酸素を分離しました。

イギリスの科学者ジョン・ドルトンは、現代の原子理論を提案しました。すべての物質は物質の不可分な「原子」で構成されており、異なる原子はさまざまな原子質量を持っています。

化学結合の電気化学的理論の発展は、特に2人の科学者、イェンス・ヤコブ・ベルゼリウスとハンフリー・デービーの研究の結果として19世紀初頭に起こりました。これは、アレッサンドロ・ボルタによるボルタ電池の先行発明によって可能になりました。デイビーは、アルカリ金属を含む9つの新しい元素を、それらの酸化物から電流で抽出することによって発見しました。[61]

彼の周期表で、ドミトリ・メンデレーエフは7つの新しい元素の存在を予測し[62]、その時点で知られている60の元素すべてを正しい場所に配置しました。[63]

英国のウィリアム・プラウトは、すべての原子の重量が水素の原子量の正確な倍数であるため、最初にすべての元素を原子量で並べ替えることを提案しました。JARニューランズは初期の元素表を考案し、それは1860年代にドミトリメンデレーエフによって、そしてジュリアスロータルマイヤーを含む他の数人の科学者によって独立して現代の周期表に発展しました[64]。[65] [66]後に希ガスと呼ばれる不活性ガスは、ウィリアム・ラムゼーがレイリー卿と共同で発見した。世紀の終わりに、それによってテーブルの基本構造を埋めます。

上：期待される結果：乱されていない原子のプラムプディングモデルを通過するアルファ粒子。下：観察された結果：粒子のごく一部が偏向しており、電荷が小さく集中していることを示しています。

20世紀の変わり目に、原子の内部構造の本質を探り、発見することに成功した一連の注目に値する発見により、化学の理論的基盤がついに理解されました。1897年、ケンブリッジ大学のJJトムソンが電子を発見し、すぐにフランスの科学者ベクレルとカップルのピエールとマリーキュリーが放射性の現象を調査しました。一連の先駆的な散乱実験で、マンチェスター大学のアーネスト・ラザフォード原子の内部構造と陽子の存在を発見し、さまざまな種類の放射性崩壊を分類して説明し、窒素にアルファ粒子を衝突させることで最初の元素を核変換することに成功しました。

原子構造に関する彼の研究は、彼の学生であるデンマークの物理学者NielsBohrとHenryMoseleyによって改善されました。化学結合と分子軌道の電子理論は、アメリカの科学者ライナス・ポーリングとギルバート・N・ルイスによって開発されました。

2011年は、国連によって世界化学年として宣言されました。[67]これは国際純正・応用化学連合と国連教育科学文化機関のイニシアチブであり、世界中の化学協会、学者、機関が関与し、地域および地域の活動を組織するために個々のイニシアチブに依存していました。 。

有機化学は、フリードリヒヴェーラーによる尿素の合成に続いて、ユストゥスフォンリービッヒらによって開発されました。これにより、理論上、生物は化学に還元可能であることが証明されました。[68]他の重要な19世紀の進歩は次のとおりでした。原子価結合の理解（ 1852年のエドワードフランクランド）と化学への熱力学の応用（1870年代の JWギブスとスヴァンテアレニウス）。

練習

サブディシプリン

化学は通常、いくつかの主要なサブ分野に分けられます。化学のいくつかの主要な学際的でより専門的な分野もあります。[69]

化学内の他の分野は、伝統的に、研究されている物質の種類または研究の種類によってグループ化されています。これらには、無機化学、無機物質の研究が含まれます。有機化学、有機（炭素ベース）物質の研究; 生化学、生物に見られる物質の研究; 物理化学、熱力学や量子力学などの物理概念を使用した化学プロセスの研究。および分析化学、それらの理解を得るための材料サンプルの分析化学組成と構造。近年、より多くの専門分野が出現しました。たとえば、神経化学、神経系の化学研究（サブ分野を参照）。

他の分野には、農薬、宇宙化学（および宇宙化学）、大気化学、化学工学、化学生物学、化学情報学、電気化学、環境化学、フェムトケミストリー、フレーバー化学、フローケミストリー、地球化学、グリーンケミストリー、組織化学、化学の歴史、水素化化学が含まれます、免疫化学、海洋化学、材料科学、数学化学、メカノケミストリー、薬用化学、分子生物学、分子力学、ナノテクノロジー、天然物化学、オエノロジー、有機金属化学、石油化学、薬理学、光化学、物理有機化学、植物化学、ポリマー化学、固体化学状態化学、ソノケミストリー、超分子化学、表面化学、合成化学、熱化学、その他多数。

業界

化学産業は、世界中の重要な経済活動を表しています。2013年の世界のトップ50の化学製品生産者の売上高は9,805億米ドルで、利益率は10.3％でした。[71]

専門家協会

も参照してください

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参考文献

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外部リンク

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