الكيمياء (3)

قام لافوازيه بالاشتراك مع الفلكي وعالم الرياضيات الفرنسي الماركيز دي لابلاس، بتجارب عملية أثبتت أن عملية التنفس في الحيوانات، تشبه كيميائيًا عملية الاحتراق، وتعد دراساتهما للعمليات الكيميائية في الكائنات الحية من بين أوائل التجارب في الكيمياء الحيوية. كما ساعد لافوازيه في وضع أساس النظام الحالي المستخدم في تسمية الكيميائيات. وقد نشر لافوازيه أفكاره حول الاحتراق والتنفس وتسمية المركبات في كتابه الذي نشر عام 1789م بعنوان المعالجة الأولية في الكيمياء وهو أول كتاب مدرسي في الكيمياء.

جون دالتون طور نظريته الذرية التي تستند إلى أن كل عنصر كيميائي له ذراته الخاصة به عام 1803م. وقد وجدت القبول تدريجياً.
نظرية دالتون الذرية. في عام 1803م طوّر الكيميائي الإنجليزي جون دالتون نظريته الذرية التي تنص على أن لكل عنصر كيميائي ذراته الخاصة به. وأكد بأن جميع ذرات أي عنصر تتساوى في الوزن ولها نفس الخواص الكيميائية. وقد استطاعت هذه النظرية توقع وشرح نتائج تجارب مختلفة وقد قبلت تدريجيًا.

وبناءً على نظرية دالتون، فإن عددًا معينًا من ذرات عنصر ما تتحد دائمًا مع عدد ثابت من ذرات عنصر آخر لتكوّن مركبًا. وقد وجد دالتون بأن المواد لا بد أن تتحد بعضها مع بعض بنسب وزنية مماثلة للنسب الوزنية لذراتها. وكان الكيميائيون قد لاحظوا أن المواد النقية تتحد بنسب ثابتة، وسمّوا هذا القانون قانون النسب المحددة أو الثابتة. وقد فسرت نظريّة دالتون هذا القانون.

كان دالتون أول من حسب أوزان ذرات عدد من العناصر. وبحلول عام 1814م، استطاع الكيميائي السويدي جونز جاكوب برزيليوس حساب الأوزان الذرية لعدد من العناصر بدقة. وهو أيضًا الذي بدأ استخدام الحروف الأبجدية كرموز للعناصر.

الجدول الدوري يرتب العناصر حسب أوزانها الذرية. اقترحه دمتري مندليف في عام 1869م، وظهر في مجلة الجمعية الكيميائية الروسية.
تكوين الجدول الدوري للعناصر. في عام 1869م، أعلن كل من الكيميائي الروسي دمتري مندليف والكيميائي الألماني يوليوس لوثر ماير، كل على حدة، عن اكتشاف القانون الدوري للعناصر. ويعتمد هذا القانون على ملاحظتهما أنه عند ترتيب العناصر في جدول حسب أوزانها الذرية فإن العناصر ذات الخواص المتشابهة تظهر في الجدول على فترات أو دورات منتظمة. ورتب الجدول في أعمدة، بحيث يتم تجميع العناصر ذات الخواص المتشابهة معًا. وقد عرف هذا الترتيب فيما بعد بالجدول الدوري للعناصر. ورغم وجود فراغات في الجدول إلا أن مندليف تنبأ بدقة بأنه سيكتشف عناصر ذات خواص معينة تملأ هذه الفراغات. ويلخص الجدول الدوري الحديث كيمياء جميع العناصر المعروفة. انظر: العنصر الكيميائي.

تطور الكيمياء العضوية. منذ عهد الخيمياء قام الباحثون بدراسة مختلف المواد الموجودة في النبات والحيوان، إلا أن هذه المواد العضوية تعذر تحليلها. ولهذا فقد اعتمدت المعلومات الكيميائية المبكرة كليًا تقريبًا على دراسة المواد غير العضوية.

فريدريك فولر حضر أول مادة عضوية من مواد غير عضوية في عام 1828م مبرهناً أن الأشياء الحية ليست هي المصدر الوحيد للمركبات العضوية.
اعتقد أغلب كيميائييّ أوائل القرن التاسع عشر بأنه لا يمكن إنتاج المركبات العضوية إلا بمساعدة قوة حيوية أي قوة حية توجد في النبات والحيوان، وسمّي هذا الاعتقاد بالمذهب الحيوي. وفي عام 1828م، استطاع الكيميائي الألماني فريدريك فولر الحصول على اليوريا (مادة عضوية توجد في البول) بخلط مادتين غير عضويتين وتسخينهما. وبهذا يكون فولر قد حضر أول مادة عضوية مُرَكَّبة من مواد غير عضوية وبرهن بذلك على عدم ضرورة توافر القوة الحيوية لإنتاج المواد العضوية.

خلال القرن التاسع عشر استطاع الكيميائيون فصل العديد من المواد العضوية، واكتشفوا أن أغلب المركبات العضوية تتكوّن أساسًا من الكربون متحدًا مع الهيدروجين والنيتروجين والأكسجين بنسب متفاوتة. وقد لاحظ الكيميائيون أنه في حالات بعينها يوجد مركبان عضويان منفصلان لهما خواص مختلفة لكنهما يتركبان من نفس العناصر وبنفس النسب. وقد سمّى برزيليوس هذ النوع من المركبات باسم المماكبات. وتحتوي المماكبات على نفس الأنواع من الذرات وبنفس العدد ولكنها تختلف في الطريقة التي ترتبط الذرات فيها بعضها ببعض.

السير وليم Aبيركن اكتشف أول صبغة مصنعة، بالمصادفة عام 1856م، حيث حصل على اللون البنفسجي الزاهي عندما كان يريد تحضير مادة الكينين من منتجات قطران الفحم.
في منتصف القرن التاسع عشر بدأ الكيميائيون في إدخال بعض الأفكار حول الصيغة البنائية في نظرياتهم. فقد طوروا نظرية التكافؤ لتوضيح كيفية اتحاد الذرات لتكون الجزيئات. ويشير التكافؤ إلى العدد العادي للروابط التي يمكن لذرة ما تكوينها مع الذرات الأخرى. في عام 1858م، اقترح الكيميائي الألماني فريدريك كيكول فون سترادونتز، أن ذرات الكربون يمكن أن ترتبط مع أربع ذرات أخرى، ويمكنها أن ترتبط بعضها مع بعض لتكوين سلسلة. وبناءً على أفكاره عرف الكيميائيون المركبات العضوية على أنها جزيئات أساسها هيكل يعتمد على روابط من ذرة كربون لأخرى (أي كربون ـ كربون) إضافة للروابط الأخرى التي تربط ذرات الكربون مع ذرات الهيدروجين والنيتروجين والأكسجين وذرات قليلة أخرى.

وبحلول القرن العشرين أصبحت دراسة المواد العضوية فرعًا رئيسيًا في الكيمياء. ومنذ ذلك الوقت استطاع الكيميائيون إنتاج أعداد هائلة من الجزيئات العضوية المعقدة. وبحلول منتصف القرن العشرين، استطاع ملفن كلفين وهو كيميائي أمريكي، حل العديد من خفايا التركيب الضوئي (العملية التي يصنع بها النبات غذاءه) التي ظلت مستعصية لسنوات طويلة. ومنذ منتصف القرن العشرين اكتشف علماء الكيمياء الحيوية كيف تؤثر بعض المواد العضوية مثل الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين د.ن.أ. والحمض النووي الريبي ر.ن.أ. على الوراثة. انظر: الوراثة؛ الحمض النووي.

تطور الكيمياء الفيزيائية. أثناء القرن التاسع عشر درس العديد من الكيميائيين والفيزيائيين خواص المواد وتغيرات الطاقة المصاحبة للتفاعلات الكيميائية. وبنوا عملهم هذا على نظريات تركيب وسلوك الذرات والجزيئات. وقد سميت هذه الدراسة بالكيمياء الفيزيائية.

كان من أوائل من ارتادوا مجال دراسة الكيمياء الفيزيائية الفيزيائي الإيطالي أميديو أفوجادرو. وقد افترض أفوجادرو في عام 1811م، أن الحجوم المتساوية من جميع الغازات تحت نفس الظروف من الحرارة والضغط، تحتوي دائمًا على عدد متساو من الجسيمات. وقد مكنت فرضية أفوجادرو هذه، والتي عرفت باسم قانون أفوجادرو، الكيميائيين من حساب الأوزان الذرية النسبية. وفي أواخر القرن التاسع عشر طور علماء الكيمياء الفيزيائية النظرية الحركية للغازات التي تصف الغازات بأنها جسيمات في حركة عشوائية دائمة، وتفسر كيف أن السرعة العالية لهذه الجسيمات تحدد الضغط والحرارة والخواص الأخرى للغازات.

في منتصف القرن التاسع عشر تقريبًا، صاغ الفيزيائيون المبادئ التي تتعلق بتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية وبالعكس. وبهذا وضعوا أسس ـ الدينامية الحرارية الكيميائية ـ التي تُعنى بدراسة التغيرات الحرارية التي تصاحب العديد من التفاعلات.

أثناء السبعينيات من القرن التاسع عشر طوّر العالم الأمريكي جوزيا ويلارد جيبس قاعدة الطور والتي تفسر العلاقة الفيزيائية بين أطوار المادة الصلبة والسائلة والغازية. وقد اعتمد الكيميائي الهولندي جاكوب فانت هوف على قاعدة الطور في دراسته للطريقة التي تتكون بها البلورات في المحاليل المختلفة. وقادت الدراسة التي قام بها هوف إلى تطوير الكيمياء الفراغية أو الكيمياء المجسمة التي تدرس ترتيب الذرات في الجزيئات.

في أواخر القرن التاسع عشر توصل الكيميائيان الفيزيائيان السويدي سفانتي أ.أرهينس. والألماني فلهلم أستوفالد إلى أن الكهرباء تنتقل عبر المحاليل بوساطة ذرات أو جزيئات ذات شحنة تسمّى الأيونات. وقد كتب أوستوالد أحد أوائل الكتب المدرسية في الكيمياء الكهربائية وهو دراسة التغيرات الكيميائية المرتبطة بالقوى الكهربائية.

ومنذ أوائل القرن العشرين الميلادي وجه الكيميائيون والفيزيائيون دراساتهم نحو تركيب الذرات والجزيئات. ففي عام 1913م اقترح الفيزيائي الدنماركي نيلز بور نموذجًا للذرة تنتظم فيه الإلكترونات في مدارات متوالية الاتساع حول نواة صغيرة تتكون من البروتونات والنيوترونات. وقد اعتقد بور بأن العديد من خواص العنصر تعتمد على عدد الإلكترونات الموجودة في المدار الخارجي لذرة ذلك العنصر.

ولقد ساعد نموذج بور للذرة على تفسير الكيفية التي تتفاعل بها الذرات مع الضوء والأشكال الأخرى للإشعاع. فقد افترض بور أن امتصاص وابتعاث (إطلاق) الضوء بوساطة الذرة يستلزم تغييرًا في وضع وطاقة الإلكترون فيقفز من مدار لآخر. وقد استطاع الكيميائيون الحصول على الكثير من المعلومات حول تركيب الجزيئات عن طريق قياس كمية الإشعاع التي تمتصها والتي تنبعث منها.

وفي عام 1916م، افترض الكيميائي الأمريكي جيلبرت لويس أن الرابطة بين ذرتين في جزيء تتكون من زوج من الإلكترونات تقتسمه كلتا الذرتين. وقد أدت فرضيته هذه إلى نظرية الزوج الإلكتروني والتي تفسر خصائص ترابط العناصر اعتمادًا على ترتيب إلكتروناتها. انظر: الرابطة.

نمو الكيمياء الصناعية. بدأ استغلال المعرفة الكيميائية من قبل الصناعيين مع بداية الكيمياء نفسها. ففي أثناء القرن الثامن عشر الميلادي استخدم صانعو الأحماض والقلويات والصابون، المعلومات الكيميائية المتوفرة في تحسين منتجاتهم وطرق إنتاجهم. وخلال القرن التاسع عشر، أنتجت المصانع كميات كبيرة من الكيميائيات، مثل حمض الكبريتيك وكربونات الصوديوم ومساحيق التبييض. وفي عام 1856م، استطاع الكيميائي الإنجليزي السير وليم هنري بيركن إنتاج أول صبغة مصنعة هي البنفسجي الزاهي وتعرف أيضًا باسم الأنيلين البنفسجي. وقد أدت شعبية هذه الصبغة إلى تحضير صبغات أخرى لسد حاجة صناعة النسيج.

وبحلول القرن العشرين أصبحت ألمانيا تمتلك أكثر الصناعات الكيميائية تطورًا في العالم. ففي عام 1910م، سجل الكيميائي الألماني فرتز هابر أول براءة اختراع لطريقة إنتاج النشادر من الهيدروجين والنيتروجين. وقد أدّى اختراعه هذا إلى تصنيع الأسمدة الكيميائية الزراعية على نطاق واسع. وخلال الحربين العالميتين الأولى (1914م - 1918م) والثانية (1939 - 1945م)، توسعت الصناعات الكيميائية في العديد من الأقطار توسعًا كبيرًا لمقابلة احتياجات الحرب للكثير من المواد، مثل المتفجرات والأدوية والمطاط الصناعي.