Chemia w kontekście
Przez całą historię ludzkości człowiek starał się przekształcać materię w rzeczy bardziej użyteczne. Nasi przodkowie z epoki kamienia łupali krzemień, tworząc poręczne narzędzia, i rzeźbili w drewnie posągi oraz zabawki. Działania te polegały na zmianie kształtu przedmiotu bez zmiany samej substancji, z której był wykonany. Jednak wraz ze wzrostem wiedzy ludzie zaczęli zmieniać także skład rzeczy – glinę przekształcano w ceramikę, skóry garbowano na odzież, rudy miedzi przetapiano na narzędzia i broń, a ziarno zamieniano w chleb. Ludzie zaczęli zajmować się chemią, gdy tylko nauczyli się opanowywać ogień i używać go do gotowania, wytwarzania ceramiki i wytapiania metali. Następnie zaczęli wyodrębniać i wykorzystywać konkretne rodzaje materii. Z roślin pozyskiwano różnorodne leki, takie jak aloes, mirra i opium. Barwniki, jak indygo czy purpura tyryjska, otrzymywano z materii roślinnej i zwierzęcej. Metale łączono w stopy – na przykład mieszając miedź z cyną, by uzyskać brąz – a sprytniejsze metody wytapiania pozwoliły na produkcję żelaza. Alkalia pozyskiwano z popiołu, a mydła wytwarzano przez mieszanie tych alkaliów z tłuszczami. Alkohol produkowano w procesie fermentacji i oczyszczano go poprzez destylację. Próby zrozumienia zachowania materii sięgają ponad 2500 lat wstecz. Już w VI wieku p.n.e. greccy filozofowie rozprawiali o systemie, w którym to woda była podstawą wszystkich rzeczy. Mogliście słyszeć o greckim postulacie, że materia składa się z czterech żywiołów: ziemi, powietrza, ognia i wody. Później mieszanka technologii chemicznych i spekulacji filozoficznych rozprzestrzeniła się z Egiptu, Chin i wschodniej części basenu Morza Śródziemnego za sprawą alchemików, którzy starali się przekształcić „metale nieszlachetne”, takie jak ołów, w „metale szlachetne”, jak złoto, oraz stworzyć eliksiry lecznicze i przedłużające życie.
STEM: Nauka, Technologia, Inżynieria i Matematyka
Dyskusja o chemii jako nauce centralnej.
Chemia jest czasem nazywana „nauką centralną”, ponieważ łączy się z ogromną gamą innych dyscyplin STEM (STEM to nauki przyrodnicze, technologia, inżynieria i matematyka). Chemia i język chemików odgrywają kluczową rolę w biologii, medycynie, inżynierii materiałowej, kryminalistyce, naukach o środowisku i wielu innych dziedzinach.
Podstawowe zasady fizyki są niezbędne do zrozumienia wielu aspektów chemii, a dziedziny te w znacznym stopniu nakładają się na siebie, czego przykładem jest fizyka chemiczna czy chemia jądrowa. Matematyka, informatyka i teoria informacji dostarczają ważnych narzędzi, które pomagają nam obliczać, interpretować, opisywać i ogólnie nadawać sens chemicznemu światu.
Biologia i chemia łączą się w biochemii, która jest kluczowa dla zrozumienia wielu złożonych czynników i procesów utrzymujących organizmy żywe (takie jak my) przy życiu. Inżynieria chemiczna, inżynieria materiałowa i nanotechnologia łączą zasady chemiczne z odkryciami empirycznymi, aby wytwarzać użyteczne substancje – od benzyny po tkaniny i elektronikę.
Rolnictwo, nauka o żywności, weterynaria oraz piwowarstwo i winiarstwo pomagają zapewnić pożywienie i napoje ludności świata. Medycyna, farmakologia, biotechnologia i botanika identyfikują i wytwarzają substancje pomagające zachować zdrowie. Nauki o środowisku, geologia, oceanografia i nauki o atmosferze wykorzystują wiele idei chemicznych, aby lepiej rozumieć i chronić nasz świat fizyczny. Nawet w astronomii i kosmologii stosuje się koncepcje chemiczne do zrozumienia wszechświata.
Jakie zmiany w materii są niezbędne w codziennym życiu? Trawienie i przyswajanie pokarmu, wytwarzanie polimerów na ubrania, pojemniki, naczynia kuchenne i karty kredytowe, a także rafinacja ropy naftowej na benzynę to tylko kilka przykładów.
W trakcie tego kursu poznasz wiele różnych przykładów zmian w składzie i strukturze materii, nauczysz się je klasyfikować, dowiesz się, jak i dlaczego zachodzą, jakie zmiany energii im towarzyszą oraz jakie zasady i prawa nimi rządzą.
Ucząc się tych rzeczy, zgłębiasz chemię – naukę o składzie, właściwościach i oddziaływaniach materii. Praktyka chemii nie ogranicza się tylko do książek czy laboratoriów: dzieje się ona zawsze wtedy, gdy ktoś bierze udział w przemianach materii lub badaniu warunków, które do tych zmian prowadzą.
WSZYSTKO, CO PRZECZYTALIŚCIE WCZEŚNIEJ, TO TOTALNA NIEPRAWDA! Chcecie poznać prawdziwy bieg życia? Zapraszam!
Rolnik
To moja farma
Nadszedł czas żniw
To czas poboru podatków.
Następny dzień pokazał, że bogowie o mnie zapomnieli.
Mój syn pośpieszył do miasta szukać odtrutki.
Zostałem ocalony
Następnego dnia sprzedałem ogromną ilość zebranej pszenicy
Mężczyzna o niezwykłym imieniu „Agronom” przybył na moją farmę następnego dnia.
Zaskoczyła mnie wizyta agronoma w dziwnym powozie.
Zdecydowaliśmy więc spakować rzeczy syna na wyprawę z agronomem.
Syn rolnika przybył do miasta wraz z agronomem.
Pierwszym przystankiem było miejsce, które nazwał „alma mater”, ale jego prawdziwa nazwa to futurystyczny uniwersytet.
Zabrał mnie do katedry mikologii (cokolwiek to znaczy)
Pamiętam lekarza, który dał odtrutkę dla mojego ojca.
Potem było kilka wizyt u ich znajomych, których nazywali „kolegami”.
I tak przez cały dzień chodziliśmy od pokoju do pokoju.
W końcu poczułem się bardzo głodny i powiedziałem o tym mojemu opiekunowi (panu Agronomowi).
Następnie odwiedziliśmy wydział zwany „chemią nieorganiczną”.
Profesor wyjaśnia, że pewne pojęcie jest niezwykle ważne dla tych procesów i nazwał je „energią” – cokolwiek to znaczy.
Było jeszcze kilka wizyt i zacząłem rozumieć, co one oznaczają; mój niepokój rósł z każdym przystankiem, ale jednocześnie rosła moja ciekawość.
Następnego dnia ruszyliśmy w drogę powrotną do domu, ale poprosiłem o wizytę w kuźni mojego wuja.
I tak rano obudziłem się, myśląc, że to wszystko było snem, ale...
Przez kilka następnych lat poświęciłem całe życie na naukę chemii. Dziękuję, panie Agronomie.
Od teraz cała reszta tego samouczka będzie dotyczyć nauki chemii – badania tego, z czego składa się materia, jak się zachowuje i jak na siebie oddziałuje. Nie myślcie, że praktyka chemii ogranicza się do zakurzonych książek czy wyszukanych laboratoriów. Dzieje się ona cały czas, gdy tylko ktoś ma do czynienia ze zmianami w materii lub warunkami, które mogą do tych zmian doprowadzić.
Metoda naukowa
Chemia jest nauką opartą na obserwacji i eksperymencie. Uprawianie chemii polega na próbach odpowiedzi na pytania i wyjaśnianiu obserwacji w kategoriach praw i teorii chemii, przy użyciu procedur akceptowanych przez społeczność naukową. Nie ma jednej drogi do udzielenia odpowiedzi na pytanie lub wyjaśnienia obserwacji, ale istnieje aspekt wspólny dla każdego podejścia: każde z nich wykorzystuje wiedzę opartą na eksperymentach, które można powtórzyć w celu zweryfikowania wyników. Niektóre ścieżki obejmują hipotezę, czyli wstępne wyjaśnienie obserwacji, które służy jako przewodnik przy zbieraniu i sprawdzaniu informacji. Hipotezę testujemy poprzez eksperymenty, obliczenia i/lub porównanie z eksperymentami innych osób, a następnie dopracowujemy ją w miarę potrzeb.
Niektóre hipotezy są próbami wyjaśnienia zachowań podsumowanych w prawach. Prawa nauki podsumowują ogromną liczbę obserwacji eksperymentalnych oraz opisują lub przewidują pewien aspekt świata przyrody. Jeśli taka hipoteza okaże się zdolna do wyjaśnienia dużego zbioru danych doświadczalnych, może uzyskać status teorii. Teorie naukowe to dobrze uzasadnione, wszechstronne i sprawdzalne wyjaśnienia poszczególnych aspektów natury. Teorie są akceptowane, ponieważ dostarczają satysfakcjonujących wyjaśnień, ale mogą zostać zmodyfikowane, jeśli pojawią się nowe dane. Ścieżka odkrycia, która prowadzi od pytania i obserwacji do prawa lub hipotezy, a następnie do teorii, połączona z eksperymentalną weryfikacją hipotezy i wszelkimi niezbędnymi modyfikacjami teorii, nazywana jest metodą naukową.
Metoda naukowa opiera się na procesie zbliżonym do tego przedstawionego na schemacie. Wszystkie kluczowe elementy zostały ukazane w mniej więcej właściwej kolejności. Postęp naukowy rzadko bywa prosty i uporządkowany: wymaga on otwartego dociekania oraz ciągłego przekształcania pytań i pomysłów w odpowiedzi na uzyskane wyniki.
Domeny chemii
Aby opisać zachowanie materii i energii, chemicy posługują się trzema odrębnymi domenami: makroskopową, mikroskopową i symboliczną. Te ramy pojęciowe oferują różne perspektywy analizy zjawisk chemicznych.
Domena makroskopowa:
Wywodząca się od greckiego słowa oznaczającego „duży”, domena makroskopowa obejmuje sferę codziennych doświadczeń. Zawiera ona wszystko, co jest wystarczająco duże, by mogło być postrzegane bezpośrednio przez ludzkie zmysły, jak choćby spożywany pokarm czy dotyk powiewu bryzy. Zarówno w życiu codziennym, jak i w laboratorium, to właśnie w tej domenie obserwujemy i mierzymy właściwości fizyczne oraz chemiczne — takie jak gęstość, rozpuszczalność czy palność — oraz jesteśmy świadkami widocznych przemian materii.
Domena mikroskopowa:
Domena mikroskopowa, od greckiego słowa oznaczającego „mały”, często wymaga użycia wyobraźni lub specjalistycznej aparatury. Choć niektóre jej aspekty, takie jak bakterie czy powierzchnia grafitu, można dostrzec przez tradycyjne mikroskopy, podstawowe obiekty zainteresowania chemii istnieją w znacznie mniejszej skali.
Mikroskopowa widzialna: Istoty takie jak wirusy czy komórki, które do zaobserwowania wymagają powiększenia.
Submikroskopowa: Większość bytów chemicznych — w tym atomy, cząsteczki, jony oraz cząstki subatomowe (protony, neutrony i elektrony) — jest zbyt mała, by można je było dostrzec nawet za pomocą standardowych mikroskopów.
Domena ta koncentruje się na dyskretnych oddziaływaniach, które napędzają mierzalne zmiany, takich jak ułożenie poszczególnych atomów metalu w drucie, struktura krystaliczna jonów soli czy zrywanie i tworzenie wiązań chemicznych, które skutkują wydzielaniem ciepła lub zmianą barwy.
Domena symboliczna:
Domena symboliczna zawiera specjalistyczny język służący do reprezentowania komponentów domeny makroskopowej i mikroskopowej. Symbole chemiczne (jak te używane w układzie okresowym), wzory chemiczne i równania chemiczne są częścią domeny symbolicznej, podobnie jak wykresy i rysunki. Do domeny symbolicznej możemy zaliczyć również obliczenia.
Symbole te odgrywają istotną rolę w chemii, ponieważ pomagają interpretować zachowanie domeny makroskopowej w kategoriach komponentów domeny mikroskopowej. Jednym z wyzwań dla studentów uczących się chemii jest uświadomienie sobie, że te same symbole mogą reprezentować różne rzeczy w domenach makroskopowej i mikroskopowej. Jedną z cech czyniących chemię fascynującą jest wykorzystanie domeny, którą trzeba sobie wyobrazić, aby wyjaśnić zachowanie w domenie, którą można zaobserwować.
Pomocnym sposobem na zrozumienie tych trzech domen jest przyjrzenie się wodzie — substancji niezbędnej i wszechobecnej.
Domena makroskopowa: Obserwacje, że woda jest cieczą w umiarkowanych temperaturach, zamarza w ciało stałe w niższych temperaturach i wrze, przechodząc w gaz w wyższych temperaturach, mają charakter makroskopowy.
Domena mikroskopowa: Niektóre właściwości wody należą do domeny mikroskopowej — tego, czego nie można zaobserwować gołym okiem. Obejmuje to opis wody jako składającej się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu, a także wyjaśnienie zamarzania i wrzenia w kategoriach przyciągania między tymi cząsteczkami.
Domena symboliczna: Wzór H2O, który może opisywać wodę na poziomie makroskopowym lub mikroskopowym, jest przykładem domeny symbolicznej. Skróty (g) dla gazu, (s) dla ciała stałego i (l) dla cieczy również są symboliczne.
Wzór H2O symbolizuje wodę, natomiast (g), (s) i (l) symbolizują jej fazy.
Woda w fazie gazowej
Woda w fazie ciekłej
Lód jako stała faza wody
