Plan pracy:

1.Historia i podział chemii

2. Krótka historia chemii.

3. Podział chemii.

4. Chemia XXI wieku

5. Chemia jako nauka ścisła

6. Metody analizy chemicznej

7. Obserwowanie reakcji chemicznych

8. Epoka tworzyw sztucznych

I. Historia i podział chemii.

Czym jest chemia? Najprościej można by napisać, że to nauka, która zajmuje się badaniem substancji oraz ich właściwości, głębiej wchodząc stwierdzimy, że to dziedzina wiedzy zajmująca się przemianami, którym mogą ulec substancje oraz warunkami wpływającymi na określoną szybkość, ale także na kierunek oraz zasięg. Chemia obejmuje także towarzyszące tym przemianom efekty energetyczne i stosunki ilościowe. Podsumowując musimy stwierdzić, że chemia jest nauką obejmującą:

- otrzymywanie substancji;

- badanie właściwości substancji;

- badanie budowy oraz składu substancji;

- badanie przemian zachodzących w czasie reakcji oraz warunków mających wpływ na kierunek oraz szybkość przemian.

Czym są przemiany chemiczne? Przemianom chemicznym towarzyszą także procesy fizyczne. Wyróżniamy następujące procesy fizyczne:

- parowanie;

- topnienie;

- dyfuzje;

- przemiany polimorficzne.

Chemia należy do nauk przyrodniczych i doświadczalnych. Substancje chemiczne możemy badać chemicznie poprzez obserwowanie przemian, które zachodzą samoistnie w przyrodzie, ale także są przeprowadzane w laboratoriach w ściśle określonych warunkach. Efekty badań przedstawiamy za pomocą wzorów, praw  oraz teorii. Wyniki te są później wykorzystywane do interpretacji procesów, którym ulegają substancje.

Przemianie chemicznej mogą towarzyszyć zjawiska fizyczne. Wyróżniamy następujące zjawiska fizyczne:

- absorpcja światła;

- emisja światła;

- pochłanianie ciepła;

- wydzielanie ciepła;

Właściwości substancji często są badane za pomocą metod fizycznych. Chemia jest nierozerwalnie związana z fizyką. Zakres obu nauk pokrywa się często ze sobą. Bez wątpienia chemia jest nauką interdyscyplinarną.

II.Krótka historia chemii.

Procesy chemiczne nie były obce starożytnym badaczom. Już wtedy, tzn. kilka tysięcy lat p.n.e. dokonywano wytapiania metali z rud, ale także wytwarzano naczynia ceramiczne, dokonywano mumifikacji, prowadzono fermentację, barwiono tkaniny. W starożytnej Grecji, kolebce filozofów, powstawały pierwsze koncepcje budowy materii, wynikłe z obserwacji przyrody. Empedokles z Akragas uważał, że wzajemne oddziaływanie wody, powietrza, ziemi i ognia doprowadza do powstawania każdej substancji. Twierdził, że są to elementy (pierwiastki, żywioły) pierwotne tworzywa rzeczywistości. Natomiast Leukippos i jego wychowanek Demokryt z Abdery– słynny z atomistycznego przedstawienia budowy materii - uważali, że podstawowe składniki materii to atomy, czyli niepodzielne cząstki. Dzieło „Historia naturalis” Pliniusza Starszego zawiera charakterystykę znanych wtedy substancji i sposobów ich uzyskiwania.

W VI-XI w. Arabowie przyczynili się do rozwoju alchemii. Początki alchemii sięgają już starożytnych Chin, Grecji, Egiptu. Czym się zajmowała alchemia? Co to była za dziedzina wiedzy? To dział nauki częściowo oparty na doświadczeniach, jest to rozwiązywanie różnorodnych zagadek, mające na celu uzyskanie eliksiru życia oraz kamienia filozoficznego Nie da się ukryć, że alchemikom przyświecały szczytne cele. Bezowocne próby jednak przyczyniły się do rozwoju metod wyodrębniania oraz oczyszczania substancji. Alchemikom udało się otrzymać kilka substancji chemicznych, takie jak:

- kwas siarkowy, kwas azotowy, kwas solny;

- związki rtęci;

- wodę królewską;

- pierwiastki (arsen, antymon, fosfor oraz bizmut)

Do wielkich alchemików pochodzenia arabskiego należeli: Ibn Sina (Awicenna). Dżabir Ibn Hajjan. Z Europy pochodził Roger Bacon oraz  Wincenty z Beauvais. Z Polski na szczególne wspomnienie zasługuje Michał Sędziwój.

Około XVI w. powstał nowy prąd nauki - jatrochemia. Za ojca alchemii lekarskiej uważa się przyrodnika szwajcarskiego - Paracelsusa. Twierdził, że główny cel jatrochemików to otrzymywanie leków, aby pomagać w ten sposób chorym ludziom. Wprowadzono wówczas do lecznictwa kilka związków chemicznych (związki rtęci oraz arsenu).

Początki chemii jako odrębnej dziedziny naukowej to lata 50-60 XVII wieku. Data przełomowa to rok 1661, wtedy wybitny chemik R. Boyle publikuje dzieło życia - „The Sceptical Chymist”. Charakteryzuje w nim pierwiastki chemiczne jako proste substancje, trwałe, które nie dają się rozłożyć na prostsze składniki.

III. Podział chemii.

Wraz z rozwojem wiedzy chemicznej kształtowały się i wyodrębniły nowe działy. Chemie możemy podzielić na:

- chemię ogólną, która zajmuje się elementarnymi prawami chemii;

- chemię fizyczną, która zajmuje się zależnościami między budową substancji a właściwościami fizycznymi, ale także zajmuje się badaniem procesów fizycznych towarzyszących każdej reakcji chemicznej;

- chemię organiczną, która zajmuje się syntezą i analizą związków organicznych;

- chemię nieorganiczną, która zajmuje się badaniem pierwiastków oraz związków nieorganicznych;

- biochemię, która bada przemiany związków chemicznych we wszystkich organizmach żywych;

- chemię bionieorganiczną, która zajmuje się związkami chemicznymi, pełniącymi istotne zadania w organizmach żywych, ale nie są badane w obszarze biochemii;

 - chemię analityczną, która bada zagadnienia związane z jakościowym i ilościowym składem badanej substancji;

- chemię kwantową, która zajmuje się teorią budowy cząsteczki oraz atomu, oddziaływaniami międzycząsteczkowymi. Bada także procesy chemiczne pod kątem mechaniki kwantowej;

- technologię chemiczną, która zajmuje się opracowywaniem najdogodniejszych warunków pod względem ekonomicznym, ekologicznym oraz technicznym, bada metody przemiany wytwarzanych substancji chemicznych.;

- nowe działy takie jak:

a) chemia koloidów;

b) chemia supramolekularna;

c) sonochemia;

d) chemia koordynacyjna;

e) chemia ciała stałego;

f) fotochemia

g) magnetochemia.

IV.Chemia XXI wieku

W XX wieku wśród wielu osiągnięć człowieka dosyć rzadko dostrzegane są odkrycia chemików. Jednakże to właśnie chemia zmienia nasze życie. Życie bez chemii stałoby się niemożliwe. Chemia żywi, ubiera i chroni.

Główne cele współczesnej chemii to:

- określenie przestrzennej struktury cząsteczek;

- określenie budowy powłok elektronowych;

- badanie typu wiązań chemicznych;

- określenie mechanizmu oraz szybkości zachodzących reakcji chemicznych.

 Do najnowocześniejszych metod używanych do wyżej wymienionych celów należą: metody spektroskopowe, dyfrakcyjne, polaryzacyjne,  metody termodynamiki statystycznej oraz mechaniki kwantowej.

Nagrody Nobla z dziedziny chemii otrzymane w ostatnim dziesięcioleciu:

2005 — Yves Chauvin, Robert H. Grubbs, Richard R. Schrock

za badania mechanizmu reakcji metatezy olefin

2004 Aaron Ciechanover, Avram Hershko, Irwin Roseza za odkrycie roli ubikwityn w degradacji białek w organizmie

2003 Peter Agre, Roderick MacKinnon za badania kanałów w błonach komórkowych

2002 Kurt Wüthrich, John B. Fenn, Koichi Tanaka za badania białek

2001 William S. Knowles, Ryōji Noyori, K. Barry Sharpless za prace nad katalizą asymetryczną

2000 Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid, Hideki Shirakawa za odkrycie i badania nad polimerami przewodzącymi

1999 Ahmed H. Zewail za badania nad przejściowymi stanami reakcji chemicznych przy użyciu spektroskopii femtosekundowej

1998 Walter Kohn, John A. Pople

1997 Paul D. Boyer, John E. Walker, Jens C. Skou

1996  Robert F. Curl Jr., Sir Harold W. Kroto, Richard E. Smalley za odkrycie fulerenów - nowej odmiany węgla (obok grafitu i diamentu) w 1985 roku

1995 Paul J. Crutzen, Mario J. Molina, F. Sherwood Rowland za badania reakcji zachodzących w atmosferze (m.in. procesy destrukcji warstwy ozonowej)

1994 George A. Olah

1993 Kary B. Mullis, Michael Smith za metody ukierunkowanej mutagenezy i reakcji łańcuchowej polimerazy (PCR)

1992  Rudolph A. Marcus za wkład  w rozwój teorii reakcji trenferu elektronu

1991  Richard R. Ernst - rozwój metody badań przy użyciu magnetycznego rezonansu jądrowego

1990  Elias James Corey - za dokonania w dziedzinach syntezy totalnej i retrosyntezie

V. Chemia jako nauka ścisła

Sytuacja chemików 100 lat temu była znacznie lepsza. Fizykom wówczas wydawało się, że nic więcej odkryć już się nie da, ze nastąpił kres tej dziedziny wiedzy. Diametralnie inna sytuacja panuje wśród chemików, zaczynają oni doceniać skuteczność oraz wprowadzać matematyczne metody opisu świata na poziomie molekularnym. Chemię fizyczną zapoczątkował J.H. van't Hoff oraz S.A. Arrhenius i W.F.W. Ostwald potwierdzają nowy trend. Badacze ci opisują, wykorzystując język formalizmu matematycznego, zjawiska takie jak:

 - równowaga chemiczna reagujących substancji

- proces reakcji chemicznych;

- zachowanie się materii w roztworach.

Wpływ matematyki jest ogromny. Chemia zrywa definitywnie z alchemią, z klimatem ezoterycznym, gdzie nieprzenikniona, tajemnicza, magiczna wiedza o przekształcaniu substancji dostępna była tylko wtajemniczonym szczęśliwcom. Naukowcom udało się dowieść, że chemia to nauka ścisła. Początkowe Nagrody Nobla z dziedziny chemii przyznawane były badaczom chemii fizycznej.

W 1900 roku powstaje teoria kwantów. Za twórcę tej dziedziny wiedzy uznaje się M.K.E. Plancka. Badacz ten nakreślił nowy trend rozwoju fizyki. Zmiany wywołane narodzinami mechaniki kwantowej, spowodowały dalszy rozwój chemii. Aktualnym dla chemików obecnie problemem jest zagadnienie wiązania chemicznego. Dzięki mechanice kwantowej jesteśmy w stanie uzyskać informacje jak powstają wiązania chemiczne, co wpływa na ich trwałość, jakie są niezbędne warunki do utworzenia wiązania.

VI Metody analizy chemicznej

Niesamowity rozwój zaplecza teoretycznego zapoczątkował szybki rozwój metod wykorzystywanych w analizie chemicznej. Dzięki tym metodom jesteśmy w stanie określić badane substancje pod względem ich struktury i właściwości

Podstawowe metody analityczne:

- spektroskopia masowa;

- spektroskopia NMR (magnetyczny rezonans magnetyczny);

-  spektroskopia IR (spektroskopia wykorzystująca światło podczerwone);

-  spektroskopia UV/VIS (wykorzystuje się promieniowanie elektromagnetyczne);

- atomowa spektroskopia emisyjna i absorpcyjna;

- chromatografia;

- rentgenowskie

Analiza rentgenowska jest najdokładniejszym sposobem określania kształtu cząsteczki. Dzięki tej metodzie możliwe stało się określenie struktury soli kuchennej, ale także kwasów nukleinowyc oraz białek. Rezultat jaki osiągnęli J.D. Watson i F.H.C. Crick w określeniu budowy DNA nie miałby miejsca bez zastosowania analizy rentgenowskiej. Odkrycie budowy prionu także było możliwe dzięki zastosowaniu analizy rentgenostrukturalnej Prion to białko, które może wywołać chorobę określoną mianem "szalonych krów". Materia, która kilka wieków temu była wielką niewiadomą dla chemików (poziom cząsteczki, atomu) przestała mieć jakiekolwiek tajemnice. Chemicy wiedzą, jak wyglądają cząsteczki, jak ze sobą reagują Dalszy rozwój metod analitycznych pójdzie w kierunku zwiększania czułości i dokładności metod.

VII. Obserwowanie reakcji chemicznych

Problem istoty reakcji chemicznej istniał od zawsze. Nie zdziwi więc zapewne nikogo fakt, że uczeni pragnęli od bardzo dawna dokładnie zapoznać się z ich przebiegiem. W 1949 opracowano metodę fotolizy błyskowej. Dokonali tego R. Norrish oraz G. Porter. Metoda ta działa analogicznie jak aparat fotograficzny, czyli celem jest uzyskanie jak najwyraźniejszego zdjęcia poruszanego obiektu. Podobnie sprawa wygląda w przypadku reakcji chemicznych, które przebiegają z różną prędkością. Głównym celem jest skonstruowanie urządzenia charakteryzujące się bardzo szybką migawką. Będzie można wtedy zrobić zdjęcie przebiegającej reakcji. Dalszym rozwojem było powstanie femtochemii. Metoda opracowana przez A. Zewaila umożliwia badanie reakcji z dokładnością do 10-15 sekundy). W 1999 roku A. Zewail otrzymał nagrodę Nobla za badania nad przejściowymi stanami reakcji chemicznych przy użyciu spektroskopii femtosekundowej. Taka dokładność jest już wystarczająca do określenia przebiegu reakcji.

VIII Epoka tworzyw sztucznych

Chemia żywi, ubiera i chroni. Te trzy podstawowe zadania sprawiają, że chemia stała się nieodzownym elementem życia każdego człowieka. Nawet nie zdajemy sobie sprawy z obecności tej dziedziny nauki w naszej codziennej egzystencji. W latach dwudziestych XX wieku mamy do czynienia z rewolucją tworzyw sztucznych, które przez wiele lat budziły szerokie zainteresowanie. Wielka zasługę w tym miał L.H. Baekeland, który wynalazł twarde, sztywne tworzywo- bakelit (wykorzystywany w obudowie telefonu oraz radioodbiornika). Przed II wojną światowa dokonano syntezy polietylenu, nylonu i teflonu. Są to niesamowicie popularne i wykorzystywane polimery. Po wojnie nastąpił niesłychany „boom” na tworzywa sztuczne. Wielkie zasługi w dziedzinie polimerów miał H. Staudinger, który dał elementarne podstawy pod tę dziedzinę wiedzy. Warte wspomnienia są także prace K. Zieglera oraz G. Natty, które zapoczątkowały nowe metody wytwarzania tworzyw sztucznych o określonych właściwościach. Dzięki nim poznaliśmy wpływ warunków reakcji oraz katalizatora na właściwości produktów reakcji polimeryzacji. Za swoje zasługi otrzymali w 1953 roku Nagrodę Nobla.

Aktualnie chemicy nie mają problemów z wytworzeniem tworzyw sztucznych charakteryzującymi się określonymi właściwościami chemicznymi. Naukowcy są stanie uzyskać tworzywa przeznaczone do określonych potrzeb. Są zdolni wytworzyć materiały niesamowitej twardości i wytrzymałości, ale także wykazującą się pewną „inteligencją”, tzn. substancje mogące uwalniać substancje tylko w ściśle zadanych warunkach fizjologicznych. W 2000 roku H. Shirakawa, A.G. MacDiarmid i A.J. Heeger otrzymali Nagrodę Nobla za opracowanie polimerów zdolnych przewodzić prąd elektryczny. Możliwe staje się zrewolucjonizowanie przemysłu komputerowego i elektronicznego.

Wielkie odkrycia w dziedzinie polimerów miały miejsce także wcześniej. W 1993 roku Kary B. Mullis oraz Michael Smith otrzymali Nagrodę Nobla za metody ukierunkowanej mutagenezy i reakcji łańcuchowej polimerazy (PCR). PCR to reakcja łańcuchowa polimerazy (z ang. Polymerase Chain Reaction). Reakcje te polegają na amplifikacji (powielaniu) łańcuchów DNA in vitro, czyli sekwencji wielokrotnego podgrzewania oraz oziębiania próbki.

W 1963 roku Karl Ziegler oraz Giulio Natta otrzymali Nagrodę Nobla

za badania dotyczące polimerów oraz zastosowanie związków metaloorganicznych podczas polimeryzacji.