شیمی الی

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 ۱۹۵۰، 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

چگونگی انجام یک واکنش شیمیایی
برای اینکه واکنش شیمیایی رخ دهد، باید پیوندهای بین اتمها و مولکولها شکسته شوند و به نحو دیگری تشکیل شوند. از آنجا که این پیوندها معمولا قوی هستند، اغلب برای شروع یک واکنش انرژی لازم است. این انرژی معمولا به شکل گرما است. مواد جدید (محصولات واکنش) خواص متفاوت با مواد اولیه (واکنش دهنده ها) دارند. واکنشهای شیمیایی فقط در آزمایشگاه رخ نمی‌دهند. این واکنشها دائما در اطراف ما در حال وقوع اند، مانند زنگ زدن اتومبیلها و پخته شدن غذا.
انواع واکنشهای شیمیایی
بعضی از واکنشهای شیمیایی بسیار سریع، یعنی ظرف چند ثانیه رخ می‌دهند. بعضی دیگر از واکنشها بسیار کند هستند و تا هزاران سال به طول می‌انجامند (فساد یک جسد مومیایی شده باستانی نمونه ای از واکنشهای بسیار کند است).
نحوه انجام واکنش

برای اینکه یک واکنش شیمیایی رخ دهد، باید مواد واکنش‌دهنده با هم تماس یابند تا محصولات جدیدی را تشکیل دهند. هر چیزی که تماس بین ذرات واکنش‌دهنده را افزایش دهد، سرعت واکنش را زیاد می‌کند. این کار را به چند طریق می‌توان انجام داد:

۱٫ با افزایش غلظت واکنش‌دهنده‌ها ، بطوری که ذرات بیشتری وجود داشته باشد. به این ترتیب ذرات به دفعات بیشتری به هم برخورد می‌کنند و بنابر این سریعتر واکنش می‌کنند و محصولات واکنش را تشکیل می‌دهند.
۲٫ با افزایش فشار درون ظرف واکنش ، بطوری که ذرات به هم فشرده شوند و در نتیجه بیشتر به هم برخورد کنند.

۳٫ با افزایش دمایی که واکنش در آن رخ می‌دهد. این کار به ذرات انرژی بیشتری می‌دهد، در نتیجه سریعتر حرکت می‌کنند و به دفعات بیشتری برخورد می‌کنند.
۴٫ با افزایش مساحت رویه واکنش‌دهنده‌ها با شکستن فیزیکی آنها. این کار فرصت بیشتری را برای تماس و واکنش به واکنش‌دهنده‌ها می‌دهد.

استفاده از کاتالیزور
راه دیگری برای تغییر سرعت یک واکنش استفاده از کاتالیزور است. کاتالیزور ماده ای است که سرعت یک واکنش را تغییر می‌دهد، اما خود آن در پایان واکنش از نظر شیمیایی بدون تغییر می‌ماند. کاتالیزگرها معمولا واکنش را سریعتر می‌کنند. این مواد این کار را با فراهم کردن مسیر دیگری برای واکنش انجام می‌دهند، مسیری که نیاز به انرژی کمتری دارد.

به دلیل پائین آمدن «سد» انرژی ذرات بیشتری واکنش می‌کنند و واکنش سریعتر انجام می‌شود. کاتالیزگرها در تولید صنعتی مواد مختلف، مانند بنزین ، مارگارین ، آمونیاک اهمیت زیادی دارند. اکثر کاتالیزگرهای صنعتی فلز هستند و به شکل دانه های فلزاند. بعضی از کاتالیزگرها برای کند کردن واکنشها به کار می‌روند و بازدارنده نامیده می‌شوند.
اکسایش و کاهش

اکسایش و کاهش فرایندهایی هستند که در بعضی واکنشهای شیمیایی رخ می‌دهند: وقتی که اکسیژن به ماده ای اضافه می‌شود، وقتی که ماده ای هیدروژن از دست می‌دهد و وقتی که ماده ای الکترون از دست می‌دهد.

کاهش ، عکس اکسایش است. این فرایند در سه حالت رخ می‌دهد: وقتی که ماده ای اکسیژن از دست می‌دهد، وقتی که ماده ای هیدروژن بدست می‌آورد و وقتی که مادهای الکترون بدست می آورد.

به عنوان مثال وقتی که منیزیم در هوا سوزانده می‌شود، این فلز با به دست آوردن اکسیژن و اکسیده شدن تبدیل به خاکستر می‌شود. این خاکستر اکسید منیزیم است.
واکنشهای اکسایش و کاهش

اکسایش و کاهش همیشه همراه با هم در یک واکنش رخ می‌دهند.در این صورت، واکنش را واکنش اکسایش- کاهش می‌نامند. بعضی از واکنشهای اکسایش- کاهش در صنعت مفید است. مثلا استخراج آهن از سنگ معدن آن با ترکیب کردن سنگ معدن با منواکسید کربن در کوره بلند آهن انجام می‌شود. در این واکنش سنگ معدن آهن اکسیژن از دست می‌دهد و آهن تشکیل می‌شود و منواکسید کربن ، اکسیژن بدست می‌آورد و تبدیل به دی‌اکسید کربن می‌شود.

توسعۀ صنعت شیمی با آغاز انقلاب صنعتی در اواسط قرن هجدهم همراه بود. تقاضا برای صنایع تولیدی جدید به‌ویژه صنعت نساجی و همچنین محصولات شیمیایی مانند اسید سولفوریک و مواد مصنوعی، اساس پیشرفت علمی صنعت شیمی را تشکیل می‌داد. نمونه‌ای ازتأثیر پیشرفت‌های علمی در افزایش عملکرد یک صنعت را می‌توان در شیمی آلی مشاهده کرد. در سال ۱۸۰۰، فقط حدود ۵۰۰ ماده شیمیایی شناخته شده وجود داشت که بسیاری از آن‌ها نمک‌های سادۀ اسیدی بودند. تا سال ۱۹۰۰، این تعداد به ۱۵۰۰۰۰ ماده و تا سال ۲۰۰۰ به حدود ۱۰ میلیون ماده رسید.

اسید سولفوریک، نخستین مادۀ شیمیایی است که به تولید انبوه رسید و هنوز هم مهمترین مادۀ شیمیایی در جهان محسوب می‌شود. با تولید بیش از ۱۵۰ میلیون تن اسید سولفوریک در جهان (در اواخر دهه ۱۹۹۰)، این ماده دارای بیشترین میزان تولید و کاربرد در صنعت شیمیایی است و از آن در فرآیندهای گسترده‌ای همچون تولید کودهای شیمیایی، مواد پاک‌کننده و مواد منفجره استفاده می‌شود.

توسعۀ صنعت شیمی در قرن نوزدهم شتاب گرفت زیرا درک بهتری از علم شیمی به‌وجود آمده و فرآیندهای نوینی برای تولید مواد خاص شیمیایی ایجاد شده بود. مثلاً می‌توان به فرآیند تولید قلیا اشاره کرد که ۶۰ سال پیش کشف شده بود اما تولید موفقیت‌آمیز تجاری آن در قرن نوزدهم صورت پذیرفت.

شرکت‌ها
از اوایل قرن بیستم، شرکت‌های تولید مواد شیمیایی به صورت غول‌هایی بزرگ ظهور کردند که از بین آن‌ها می‌توان به ۱ G Farben در آلمان، دوپونت در ایالات متحده و صنایع شیمی امپریال در انگلستان اشاره کرد. ۱ G Farben در سال ۱۹۲۵ و با ادغام شش شرکت بزرگ آن زمان شکل گرفت که البته ارتباط تنگاتنگی با رژیم نازی آلمان داشت. پس از جنگ جهانی دوم، این شرکت منحل و دارایی آن به شرکت‌های بایر ، هوخست ، آگفا و BASF منتقل شد.

امروزه، این صنعت شامل طیفی گسترده از فعالیت‌هاست مانند داروسازی، الیاف، مواد غذایی و تولید مواد شیمیایی و پلاستیکی. فروش جهانی این صنعت بالغ بر ۱۷۰۰ میلیارد دلار در سال است که این امر آن را به یکی از بزرگ‌ترین و پویاترین صنایع تولیدی جهان تبدیل کرده است. تولید مواد شیمیایی تقریباً ۲ درصد از تولید ناخالص ملی ایالات متحده و ۴/۲ درصد تولید ناخالص ملی اتحادیۀ اروپا را تشکیل می‌دهد.

در سطح جهان، ۱۰۰ هزار شرکت در زمینۀ مواد شیمیایی فعالند که ۳۰ شرکت بزرگ، ۳۰ درصد از کل فروش جهانی مواد شیمیایی را در اختیار دارند. برخی از شرکت‌های آمریکایی و اروپایی در رأس فعالان این صنعت هستند هر چند که چهار شرکت بزرگ این صنعت (مرک ، بایر، BASF و دوپونت) تنها ۲ تا ۳ درصد بازار جهانی را در اختیار دارند؛ اما شرکت پنجم یعنی شرکت مواد شیمیایی داو ، ادعا کرده که پس از خریدن شرکت کاربید یونیون در سال ۲۰۰۰، در رأس این صنعت قرار گرفته است. از نظر فروش، هر یک از این شرکت‌ها دو برابر بزرگ‌ترین شرکت غیرغربی یعنی میتسوبیشی ژاپن درآمد دارند.

بازارها
بازار جهانی مواد شیمیایی در سیطرۀ اروپای غربی و ایالات متحده است. هر یک از این مناطق، ۳۰ درصد تولید جهانی را در اختیار دارند و بیش از ۱ میلیون نفر در صنایع شیمیایی آن‌ها مشغول به کارند. در اروپا، آلمان بزرگ‌ترین تولیدکننده است و حدود یک سوم از کل تولید این قاره را در اختیار دارد. دیگر قدرت‌های بزرگ این صنعت در اروپا عبارتند از: انگلستان و ایتالیا که جزو تولیدکنندگان

بزرگ مواد شیمیایی هستند و پس از آن‌ها بلژیک، اسپانیا و هلند قرار دارند که به اتفاق هم، گروه موسوم به «هفت بزرگ » را تشکیل می‌دهند که شامل هفت کشور بزرگ تولید مواد شیمیایی در اروپاست. قرار است با افزوده شدن ایرلند که صنعت شیمیایی آن طی سال‌های اخیر پیشرفت چشمگیری داشته، این گروه گسترش یابد. ایرلند توانسته با کمک اتحادیۀ اروپا و

سرمایه‌گذاری‌های ملی، شاهد چهار برابر شدن رشد صنعت شیمیایی خود طی دهۀ ۱۹۹۰ باشد. به‌گونه‌ای که گفته می‌شود این کشور، هم‌اکنون ۵ درصد از کل بازار اروپا را در اختیار دارد.

یکی از فعالان جدید در کسب و کار جهانی مواد شیمیایی، شرکت صنایع پایۀ عربستان سعودی موسوم به صابیک است که در سال ۱۹۷۶ و به عنوان بخشی ازتلاش‌های دولت عربستان سعودی برای متنوع ساختن اقتصاد این کشور تأسیس شد. هدف از تأسیس این شرکت، ارتقای ارزش افزودۀ مواد هیدروکربن طبیعی این کشور بود. هم‌اکنون این شرکت، به بزرگ‌ترین تولیدکنندۀ بین‌المللی فرآورده‌های پتروشیمی تبدیل شده و از طریق سرمایه‌گذاری‌های عظیم در بازار، در رأس شرکت‌های خاورمیانه قرار گرفته است.

رشد صنعت شیمیایی مکزیک نیز ناشی از سرمایه‌گذاری‌های هنگفت ایالات متحده در این کشور، چه به صورت سرمایه و چه به صورت فن‌آوری بوده است. همانند دیگر کشورهای تولیدکنندۀ نفت، (از جمله عربستان سعودی و مالزی)، مکزیک بر روی دو منبع طبیعی سرمایه‌گذاری کرده است: هیدروکربن‌ها و نیروی کار ارزان. محاسبه شده که هزینۀ نیروی کار مکزیک یک سوم ایالات متحده یا اروپاست؛ هر چند که بهره‌وری پایین، این مزیت را خنثی کرده است.

فن‌آوری
تولید مواد شیمیایی مبتنی بر فرآیندی است که سلسله عملیات واحد نامیده می‌شود یعنی فرآیندهای انفرادی که بر فرآیندهای درحال انجام تأثیر می‌گذارند. این فرآیندها می‌توانند یا ساده باشند (مانند پالایش و تبخیر) یا پیچیده (مانند تقطیر یا واکنش‌های کاتالیزوری). برخی از این

عملیات واحد، مواد خام را از یک مادۀ کم‌ارزش به ماده‌ای پرارزش تبدیل می‌سازند که این ماده می‌تواند باعث شکل‌گیری دیگر فرآیندهای صنعتی شود؛ مثلاً ممکن است یک کارخانۀ مواد شیمیایی، ماده‌ای همچون کاپرولاکتوم را که هیدروکربنی شبیه به بنزین است به نایلون تبدیل نماید. مادۀ به‌دست آمده، مادۀ خام فرآیندی دیگر خواهد بود تا از آن الیاف مورد استفاده در پوشاک تهیه شود. این درحالی‌ست که کاپرولاکتوم خود ماده‌ای است که از تولید دیگر مواد شیمیایی به‌دست آمده است.

محصولات
محصولات این صنعت در گروه‌بندی‌های مختلفی قرار می‌گیرند. بزرگ‌ترین گروه، گروه دارویی است که حدود یک سوم از کل فروش این صنعت را تشکیل می‌دهد. دومین گروه که در حال رشد بیش‌تر است، مواد شیمیایی خاص از جمله رنگ، مواد دارای درجۀ خلوص بالا جهت استفاده در تولید لوازم الکترونیک و دیگر مواد شیمیایی دارای حجم کوچک را در خود جای داده است.

پلاستیک و پلیمرها شامل موادی همچون پلی‌اتیلن (پلیتین)، پلی‌پروپیلن و لاستیک مصنوعی هستند. فرآورده‌های پتروشیمی نیز موادی واسطه همچون هیدروکربن‌ها (مانند اتیلن و پروپیلن) هستند که از آن‌ها برای تولید پلیمرها استفاده می‌شود. از مواد شیمیایی طبیعی نیز در تولید موادی همچون انواع صابون، پاک‌کننده‌ها و لوازم آرایشی و بهداشتی استفاده می‌شود. در نهایت باید به مواد شیمیایی مورد استفاده در کشاورزی همچون کود شیمیایی و مواد شیمیایی دفع آفات اشاره کرد.

تأثیر اینترنت
صنعت شیمی را معمولاً بخشی از اقتصاد قدیم می‌دانند و به همین دلیل تعجب‌آور است اگر بگوییم که این صنعت در خط مقدم کسب و کار الکترونیک جهان قرار گرفته‌ است. یکی از علل اصلی این امر، گستردگی زیاد صنعت شیمی و حاشیۀ نسبتاً پایین سود این صنعت است و به همین دلیل حتی مقداری صرفه‌جویی در هزینۀ معاملات، می‌تواند ارزش بسیار زیادی برای فعالان این صنعت

وتأثیر خوبی در سودآوری بیش‌تر آنان داشته باشد. سیستم‌های تجاری مبتنی بر اینترنت به صورت کنسرسیوم‌های تولیدکنندگان بزرگ شروع به کار کرده و موج بزرگی از ادغام‌ها و اکتساب‌ها را در این صنعت به‌وجود آورده‌اند. انتظار می‌رود که در نخستین سال‌های قرن ۲۱، معاملات الکترونیک حدود ۱۵ درصد از کل فروش این صنعت را تشکیل دهند و ارزش سالانۀ کسب و کار الکترونیک در این صنعت به سالانه ۲۵۰ میلیارد دلار برسد.

تا اینجا، تاریخچه کوتاهی از سابقه علم شیمی را گفتیم. در این بخش، بنا داریم که به نظریه ها و یافته های بنیادین بسیار مطرح و قانونهای شیمی اشاره کنیم. نخست «نظریه اتمی» را معرفی می کنیم. این نظریه پایه و اساس علم شیمی به شمار می آید و مطابق آن تمام مواد از واحدهای بسیار کوچکی به نام «اتم» تشکیل شده‌اند.

یکی از اصول و قوانینی هم که در مطرح شدن شیمی به عنوان یکی از علوم تأثیر بسزایی داشته اصل «بقای جرم» است. این قانون بیان می‌کند که، در طول واکنش شیمیایی و معمولی، مقدار ماده تغییر نمی‌کند. این قانون به این معناست که اگر ۱۰ ‌هزار اتم داشته باشیم و مقدار زیادی واکنش شیمیایی انجام پذیرد، در پایان ما همچنان همان ۱۰ ‌هزار اتم را خواهیم داشت. نکته مهم در اینجا این است که امروزه فیزیک نوین ثابت کرده که در واقع این «انرژی» است که بدون تغییر می‌ماند؛ و دیگر اینکه «انرژی» و «جرم» با یکدیگر رابطه دارند. این نکته ما را به مفاهیم مهمی مانند «تعادل ترمودینامیک» می‌‌رساند.

اگر انرژی از دست رفته یا به‌دست‌آمده را مد نظر قرار دهیم، مقدار جرم نیز تغییر نمی‌کند. علم شیمی کنش و واکنش میان اتمها را بتنهایی یا در بیشتر موارد به‌ همراه دیگر اتمها و به‌ صورت «یون» یا «ملکول» و در قالب «ترکیب» بررسی می‌کند.

اتمها معمولا با اتمهای دیگر واکنش انجام می‌دهند. برای نمونه، سوختن چوب در آتش واکنشی است بین اتمهای اکسیژن موجود در هوا و اتمهای کربن و هیدروژن درون چوب. «نور» هم گاهی در واکنش بین اتمها تأثیر می‌گذارد که در این موارد از اصطلاح «فتوکاتالیست» برای توضیح عملکرد نور استفاده می شود. نمونه این عملکرد ظهور عکس است که بر اثر دگرگونیهایی ایجاد می شود که نور در مواد شیمیایی فیلم عکاسی صورت می دهد.

یکی از یافته‌های بنیادین و جالب دانش شیمی – تا به حال – این بوده است که اتمها همیشه به نسبت معین با یکدیگر ترکیب می‌شوند. برای مثال، بر اساس این قانون، همیشه در یک ملکول «سیلیس» نسبت اتمهای سیلیسیوم به اکسیژن یک به دو است.
امروزه، ثابت شده است که استثناهایی در قانون نسبتهای معین وجود دارد. این استثناها مواد «غیر استوکیومتری» نام گرفته اند.

مطلب مهمی که در مطالعه علم شیمی باید بدان توجه داشت تعامل این علم با «فیزیک» است. ما هر دو این رشته ها را علومی مستقل شناخته ایم؛ اما باید دانست که تأثیر و تأثر آنها در یکدیگر بسیار قوی است. قوت این مسئله تا جایی است که حتی به ظهور شاخه علمی «شیمی فیزیک» انجامیده است. «شیمی فیزیک» بر پایهٔ فیزیک پیشرفته (نوین) بنا شده است. در شیمی فیزیک، می‌توان تمام نظامهای شیمیایی را با استفاده از نظریه «مکانیک کوانتوم» شرح داد. این نظریه از لحاظ ریاضی ماهیتی پیچیده و عمیقاً شهودی دارد و در عمل تنها بررسی نظامهای سادهٔ

شیمیایی با مفاهیم مکانیکی کوانتوم مناسب بررسی است؛ و در اکثر مواقع، باید از تقریب استفاده کرد. بنابر این، استفاده کامل از مفاهیم مکانیک کوانتوم برای تمام مباحث شیمی کاربرد ندارد؛ زیرا نتایج مهم این نظریه _ بویژه اوربیتال اتمی _ را با استفاده از مفاهیم ساده‌تری می توان درک کرد و به‌ کار گرفت. مهم این است که با اینکه در بسیاری از موارد ممکن است مکانیک کوانتوم نادیده گرفته شود، مفهوم اساسی که پشت آن است – یعنی «کوانتومی کردن انرژی» – چنین نیست.

شیمیدانها برای به کارگیری تمام روشهای طیف نمایی به آثار و نتایج کوانتوم وابسته‌اند، هرچند که ممکن است بسیاری از آنها از این امر آگاه نباشند. علم فیزیک ممکن است گاهی مورد بیتوجهی واقع شود، اما به هر حال، برخی از مفاهیم آن (مانند رزونانس مغناطیسی هسته‌ای) مرتب مورد استفاده قرار می گیرد.

یکی دیگر از نظریه های اصلی فیزیک نوین که نباید آن را نادیده گرفت نظریه «نسبیت» است. این نظریه که از دیدگاه ریاضی پیچیده است شرح کامل فیزیکی علم شیمی است. خوشبختانه، مفاهیم نسبیتی تنها در برخی از محاسبات خیلی دقیق ساختمان هسته، بویژه در عناصر سنگینتر، کاربرد دارد و در عمل تقریباً با شیمی پیوندی ندارد.
بخشهای اصلی دانش شیمی عبارت‌اند از:
¨ شیمی تجزیه؛ که به تعیین ترکیبات مواد و اجزای تشکیل دهنده آنها می‌پردازد.
¨ شیمی آلی؛ که به مطالعهٔ ترکیبات کربن‌دار، غیر از ترکیباتی چون دو اکسید کربن (دی اکسید کربن)، می‌پردازد.
¨ شیمی معدنی؛ که به بیشتر عناصری که در شیمی آلی بر آنها تأکید نشده است و بر برخی از خواص ملکولها می‌‌پردازد.
¨ شیمی فیزیک؛ که پایه و اساس همه شاخه‌های دیگر را تشکیل می‌دهد و شامل ویژگیهای فیزیکی مواد و ابزار نظری بررسی آنهاست.

دیگر رشته‌های مطالعاتی و شاخه‌های تخصصی که با شیمی پیوند دارد عبارت ‌است از: علم مواد، مهندسی شیمی، شیمی بسپار، شیمی محیط زیست، داروسازی.
نگاه اجمالی
تئوری اتمی پایه و اساس علم شیمی است. این تئوری بیان می‌دارد که تمام مواد از واحدهای بسیار کوچکی به نام اتم تشکیل شده‌اند. یکی از اصول و قوانینی که در مطرح شدن شیمی به عنوان یک علم تاثیر به‌سزائی داشته، اصل بقای جرم است. این قانون بیان می‌کند که در طول انجام یک واکنش شیمیایی معمولی، مقدار ماده نیز تغییر نمی‌کند. (امروزه فیزیک مدرن ثابت کرده که در واقع این انرژی است که بدون تغییر می‌ماند و همچنین انرژی و جرم با یکدیگر رابطه دارند.)

این مطلب به طور ساده به این معنی است که اگر ده‌هزار اتم داشته باشیم و مقدار زیادی واکنش شیمیایی انجام پذیرد، در پایان ما همچنان بطور دقیق ده‌هزار اتم خواهیم داشت. اگر انرژی از دست رفته یا به‌دست‌آمده را مد نظر قرار دهیم، مقدار جرم نیز تغییر نمی‌کند. شیمی کنش و واکنش میان اتم‌ها را به تنهایی یا در بیشتر موارد به‌همراه دیگر اتم‌ها و به‌صورت یون یا مولکول (ترکیب) بررسی می‌کند.

این اتم‌ها اغلب با اتم‌های دیگر واکنش‌هایی را انجام می‌دهند. (برای نمونه زمانی‌‌که آتش چوب را می‌سوزاند ترکیبی است از اتم‌های اکسیژن موجود در هوا و اتم‌های کربن و هیدروژن درون چوب). گاهی اوقات نیز نور بر آنها تاثیر می‌گذارد. (یک عکس بر اثر تغییراتی که نور بر روی مواد شیمیایی فیلم عکاسی ایجاد می‌کند شکل می‌گیرد.)
یکی از کشفیات بنیادین و جالب این بود که اتم‌ها روی‌هم‌رفته همیشه به نسبت برابر با یکدیگر ترکیب می‌شوند. سیلیس دارای ساختمانی است که نسبت اتم‌های سیلیسیوم به اکسیژن در آن یک به دو است. امروزه ثابت شده است که استثناهایی در زمینه‌ی قانون نسبت‌های معین وجود دارد.

یکی دیگر از کشفیات کلیدی شیمی این بود که زمانیکه یک واکنش شیمیایی رخ می دهد، مقدار انرژی که بدست می آید یا از دست می رود همواره یکسان است . این امر ما را به مفاهیم مهمی مانند تعادل ، ترمودینامیک و دینامیک می رساند.

شیمی فیزیک بر پایه‌ی فیزیک پیشرفته (مدرن) بنا شده است. اصولاً می‌توان تمام سیستم‌های شیمیایی را با استفاده از تئوری مکانیک کوانتوم شرح داد. این تئوری از لحاظ ریاضی پیچیده بوده و عمیقاً شهودی است. به هر حال در عمل و بطور واقعی تنها بررسی سیستم‌های ساده‌ی شیمیایی قابل بررسی با مفاهیم مکانیکی کوانتوم امکان‌پذیر است و در اکثر مواقع باید از تقریب استفاده کرد(مانند تئوری کاری دانسیته). بنابراین درک کامل مکانیک کوانتوم برای تمامی مباحث شیمی کاربرد ندارد؛ زیرا نتایج مهم این تئوری (بخص

وص اربیتال اتمی) با استفاده از مفاهیم ساده‌تری قابل درک و به‌کارگیری هستند.
با اینکه در بسیاری موارد ممکن است مکانیک کوانتوم نادیده گرفته شود، مفهوم اساسی که پشت آن است، یعنی کوانتومی کردن انرژی، چنین نیست. شیمی‌دان‌ها برای بکارگیری کلیه روش‌های طیف نمایی به اثرات و نتایج کوانتوم وابسته‌اند، هرچند که ممکن است بسیاری از آنها از این امر آگاه نباشند. علم فیزیک هم ممکن است مورد بی توجهی واقع شود، اما به هر حال برآیند نهایی آن (مانند رزونانس مغناطیسی هسته‌ای) پژوهیده و مطالعه می‌شود.

یکی دیگر از تئوری های اصلی فیزیک مدرن که نباید نادیده گرفته شود نظریه‌ی نسبیت است. این نظریه که از دیدگاه ریاضی پیچیده است، شرح کامل فیزیکی علم شیمی است. خوشبختانه مفاهیم نسبیتی تنها در برخی از محاسبات خیلی دقیق ساختمان هسته، به‌ویژه در عناصر سنگین‌تر، کاربرد دارند و در عمل تقریباً با شیمی پیوند ندارند.