Хемија

Хемија или кемија (средњовј. лат. цхемиа, цхyмиа < грч. χημεία, χυμεία: мијешање метала), природна наука која се бави проучавањем грађе, особина и промена супстанци као и закона по којима се те промене дешавају.^[1][2] Класично се издвајају четири кључна поља у хемији, мада постоји далеко већи број уско специјализованих грана: општа хемија, неорганска хемија, органска хемија и биохемија. Хемија је једна од елементарних наука, поред математике блиска је и: физици, биологији, фармацији, медицини. У многим пословима као и у свакодневном животу заступљена је хемија.

Хемија заузима централно место међу природним наукама. Између осталог, бави се и молекулима, њиховом структуром, особинама и трансформацијама, и принципима на којима се особине молекула заснивају. Због ове своје свеобухватности, хемија има доста заједничких тема са другим природним наукама, као што су физика, геологија и астрономија, с једне стране, и биологија, физиологија и медицина, с друге.^[3][4] Хемија је грана физичких наука али постоји одређена разлика од физике.^[5] Етимологија појма хемија није у потпуности разјашњена, па је у том погледу тема одређених неслагања. Хисторија хемије се може пратити и преко одређених фаза у њеном развоју, попут алхемије, која се практиковала хиљадама година у многим дијеловима свијета.

Појам хемија потјече од ријечи алхемија, ранијег скупа активности који су обухватали елементе из модерне хемије, металургије, филозофије, астрологије, астрономије, мистицизма и медицине. Она се обично сматрала као потрага за начином претварања олова или неког другог уобичајеног материјала у злато.^[6] Алхемија се почела практиковати око 330. године, укључивала је проучавање састава воде, њеног кретања, раста, придруживања и излучивања из других супстанци, извлачења духова из тијела као и њиховим спајањем унутар тијела (Зосим из Панополиса).^[7] Алхемичари су се у народном говору звали хемичари, а каснији суфикс -ија је додан како би се описала вјештина хемичара као хемија.

Ријеч алхемија је изведена из арапске ријечи ал-кимиа (الکیمیاء). У коријену, појам је посуђен из грчког χημία или χημεία.^[8][9] Даље, овај појам је можда и египатског поријекла. Многи вјерују да је ал-кимиа изведена из грчког χημία, а која се опет добила преко ријечи цхеми или кими, што је древно име Египта у египатском језику.^[8] По другом мишљењу, ал-кимиа је можда изведена из χημεία, у значењу излити (спојити) заједно.^[10]

Ретроспективно, дефиниција хемије се мијењала кроз хисторију, како су нова открића и теорије додавне нове функционалности у ову науку. Појам хемија, по мишљењу познатог хемичара Боyла 1661. који је сматрао да је она субјекат материјалних принципа мјешаних (сложених) тијела.^[11] Двије године касније, 1663. хемичар Цхристопхер Гласер описао је хемију као научну умјетност, која изучава растворена тијела те из њих извлачи различите супстанце од којих су она изграђена, као и начин како да их поновно спојити и довести их до савршености вишег нивоа.^[12]

Дефиниција ријечи хемија из 1730. коју је користио Георг Ернст Стахл значила је умјетност раздвајања мијешаних, агрегатних и спојених тијела у њихове састојке; као и састављање таквих тијела из тих састојака.^[13] Јеан-Баптисте Думас је 1837. сматрао појам хемије као науку која изучава законе и ефекте молекуларних сила.^[14] Ова дефиниција је касније еволуирала, па се 1947. дошло до значења науке о супстанцама: њиховој структури, особинама и реакцијама које их претварају у друге супстанце, а ову карактеризацију хемије прихватио је и Линус Паулинг.^[15] У новије доба, 1998. професор Раyмонд Цханг проширио је ту дефиницију на проучавање материје и промјена које се дешавају с њом.^[16]

Атомска теорија је основа кемије. Та теорија каже да се све твари састоје од врло малих честица по имену атоми. Један од првих закона који је довео до утемељења кемије као знаности био је Закон очувања масе. Тај закон каже да тијеком кемијске реакције нема примјетне промјене у количини твари. (Модерна је физика показала да се заправо ради о очувању енергије, те да су енергија и маса повезане.)

Једноставно речено, ако на почетку имате 10,000 атома и направите много кемијских реакција, на крају ћете опет имати 10,000 атома. Маса је остала иста ако урачунамо енергију која се притом изгубила или стекла. Кемија проучава односе међу атомима: понекад међу појединачним атомима, али чешће кад су атоми везани уз друге атоме и чине ионе и молекуле. Атоми ступају у однос с другим атомима (нпр. логорска ватра је комбинација атома кисеоника

из зрака с атомима угљика и водика из дрвета), а могу имати однос и са свјетлом (фотографија настаје због промјена које свјетло изазива на кемикалијама филмске врпце) и другим зрачењима.

Необично се брзо открило да се атоми готово увијек слажу у одређеним омјерима: силицијски пијесак је структура гдје омјер атома силиција и атома кисика износи 1:2. Данас знамо да тај закон одређених пропорција има изнимке (нпр. интегрирани струјни кругови).

Друго кључно откриће: кад год се изводи одређена кемијска реакција, количина стечене или изгубљене енергије увијек је иста. То је довело до важних појмова као што су равнотежа, термодинамика и кинетика.

Физикална хемија заснива се на модерној физици, јер је у начелу могуће описати све кемијске суставе користећи теорију квантне механике. Та је теорија математички сложена и коси се са здравим разумом. Ипак, у пракси се само најједноставнији кемијски сустави могу истраживати искључиво кроз квантну механику, те се за практичне сврхе морају радити апроксимације. Зато у већем дијелу кемије није потребно детаљно знање квантне механике, јер се важне посљедице те теорије (првенствено орбитална апроксимација) могу разумјети и примијенити на једноставнији начин.

Иако се квантна механика често може занемарити, њезин основни појам - квантизација енергије - мора се узети у обзир. Кемичари користе квантне ефекте приликом свих спектроскопских техника (и разних других ствари), иако многи кемичари нису свјесни тога! Осим тога, често се и физика може занемарити, а коначни резултат (нпр. спектар НМР) свеједно може имати смисла.

Потпун физикални опис кемије мора такођер узети у обзир релативност, која је друга главна теорија модерне физике, такођер математички сложена. Срећом, ефекти релативитета важни су само у изузетно прецизним израчунима атомске структуре, који се углавном тичу тежих елемената, док је у пракси релативност неважна за готово читаву кемију.

Кемија се обично дијели овако: аналитичка хемија, која одређује састав и дијелове твари; органска хемија, која проучава угљикове спојеве; анорганска хемија, која истражује шире елементе које органска хемија не наглашава; биохемија, проучавање кемије у биолошком суставу; и физикална хемија, која је основа свих других грана јер обухваћа физикалне особине твари и теорије за њихово истраживање.

Неке друге мултидисциплинарне и специјализиране гране: знаност материјала, хемија полимера, хемија животне средине, фармација.

Старе цивилизације, попут Египћана,^[17] Бабилонаца и Индијаца^[18] стекле су огромно практично знање о вјештинама металургије, израде грнчарије и прављења боја, али о томе нису развили систематску теорију.

Основне хемијске хипотезе прво су се појавиле у класичној Грчкој у виду теорије "четири елемента" што је коначно уобличио Аристотел наводећи да су ватра, зрак, земља и вода четири темељна елемента чијим је комбинирањем изграђено све остало. Грчки атомизам потјече из 440тих п.н.е., настао у дјелима филозофа као што су Демокрит и Епикур. Римски филозоф Лукреције је 50 п.н.е. развио ову теорију у својој књизи Де рерум натура ("О природи ствари").^[19][20] За разлику од модерног концепта науке, грчки атомизам је био чисто филозофске природе, са врло слабим везама са искуственим посматрањима и без икаквог осврта на хемијске експерименте.^[21]

Вјештина алхемије је најприје доживјела процват у хеленистичком свијету, гдје су се мијешале магија и окултизам у проучавање природних супстанци, с крајњим циљем претварања елемената у злато и откривање напитка вјечног живота.^[22] Алхемија је откривена и практикована широм арапског свијета након појаве ислама,^[23] а од тамо се прелила у средњовјековну и ренесансну Европу преко латинских превода.^[24]

Под утјецајем нових искуствених метода које су предложили Францис Бацон и други, група хемичара на Универзитету у Оxфорду, Роберт Боyле, Роберт Хооке и Јохн Маyоw почели су да изнова обликују старе алхемијске традиције у научну дисциплину. Нарочито се Боyле сматра за оснивача и "оца" хемије због свог најважније рада, текста из области класичне хемије "Скептични хемичар" (Тхе Сцептицал Цхyмист) гдје су наведене основне разлике између поставки алхемије и искуствених научних открића нове хемије.^[25] Он је, између осталог, објавио и Боyлеов закон, чиме је одбио класичне поставке "четири елемента" и предложио механистичке алтернативе атома и хемијских реакција које би могле бити субјекат строгих експеримената.^[26]

Теорију флогистона (супстанце која је у основи сваког сагоријевања) предложио је Нијемац Георг Ернст Стахл почетком 18. вијека а ту теорију је тек крајем тог вијека оповргнуо француски хемичар Антоине Лавоисиер, "хемијски" пандан Неwтону у физици; који је учинио више од било кога другог за оснивање нове науке на исправним теоретским основама, тако што је расвијетлио принцип одржања масе и развио нови систем хемијске номенклатуре, који се и данас мање-више користи.^[28]

Међутим, прије овог његовог рада, постигнута су многа важна открића, нарочито у вези природе зрака, за који се испоставило да је састављен из многих различитих гасова. Шкотски хемичар Јосепх Блацк (први експериментални хемичар) и Холанђанин Ј. Б. ван Хелмонт открили су угљик-диоксид, или оно што је Блацк називао "фиксни зрак" 1754. године; Хенрy Цавендисх је открио водик и расвијетлио многе његове особине, док су Јосепх Приестлеy и, независно од њега, Царл Wилхелм Сцхееле издвојили чисти кисик.

Енглески научник Јохн Далтон поставио је модерну теорију атома; по којој су све супстанце састављене из невидљивих атома материје и да различити атоми имају различите атомске тежине. Развој електрохемијске теорије хемијских комбинација десио се почетком 19. вијека нарочито као резултат рада двојице научника Јацоб Берзелиуса и Хумпхрyја Давyја, а заснованог на ранијим открићима електростатичког стуба који је направио Алессандро Волта. Давy је открио девет нових елемената укључујући алкалне метале издвајајући их из њихових оксида помоћу електричне струје.^[29]

Британац Wиллиам Проут први је предложио сортирање свих хемијских елемената према њиховим атомским тежинама, тако што је све познате атоме изразио омјером њихове тежине према атомској тежини водика. Неwландс је направио првобитни систем елемената, који су касније развили у модерни периодни систем елемената^[30] Нијемац Лотхар Меyер и Рус Дмитриј Иванович Мендељејев током 1860тих.^[31] Инертне гасове, касније названи племенити гасови, открио је Wиллиам Рамсаy у сарадњи са Лордом Раyлеигхјем крајем 19. вијека, па су с тим открићем попуњене основне структуре табеле периодног система.

Органску хемију развио је Јустус вон Лиебиг и његови савременици, након што је Фриедрицх Wöхлер синтетизирао уреу којим је заправо потврђено да се живи организми, теоретски, могу посматрати и свести под хемијске законе.^[32] Друга важна открића 19. вијека била су, између осталог, разумијевање валенције везе (Едwард Франкланд 1852. године) и примјена термодинамике у хемији (Ј. W. Гиббс и Сванте Аррхениус током 1870тих).

Тек почетком 20. вијека коначно су схваћене теоретске основе хемије након серије значајних открића, који су резултат успјелих покуса у истраживању праве природе унутрашње структуре атома. Године 1897. Ј. Ј. Тхомсон је на Универзитету Цамбридге открио електрон а врло брзо њега је француски научник Бецqуерел као и брачни пар Пиерре и Марие Цурие истраживали феномен радиоактивности. У серији пионирских експеримената Ернест Рутхерфорд је на Универзитету у Манцхестеру открио унутрашњу структуру атома и постојање протона, класифицирао је и објаснио различите врсте радиоактивног зрачења и успјешно трансмутирао први елемент бомбардујући душик алфа-честицама.

Његов рад на атомској структури развили су и побољшали његови ученици, дански физичар Ниелс Бохр и Енглез Хенрy Моселеy. Електронску теорију хемијских веза и молекулских орбитала развили су амерички научници Линус Паулинг и Гилберт Н. Леwис.

Годину 2011. Уједињени народи су прогласили Међународном годином хемије.^[33] Година је проглашена на иницијативу ИУПАЦ-а (Међународне уније чисте и примијењене хемије) те УН организације за науку, образовање и културу, а укључивао је хемијска друштва, академије и институције у свијету а заснивала се на индивидуалним иницијативама за организирање локалних и регионалних активности.

Главни чланак: Аналитичка хемија

Аналитичка хемија је наука која се бави проучавањем хемијских и физичких процеса на основу којих се може одредити квалитативни и квантитативни састав испитиване супстанце. Због тога се ова наука дели на две области: квалитативну и квантитативну анализу. Квалитативна анализа по правилу претходи квантитативној и њоме се утврђује из којих се елемената, јона, атомских (функционалних) група и молекула састоји испитивана супстанца. Квантитативна анализа се заснива на утврђивању или количина испитиваних супстанци или односа у коме се дате супстанце налазе. Методе којима се при томе аналитичка хемија користи се могу поделити на хемијске, физичке и физичко-хемијске.

Главни чланак: Неорганска хемија

Хемија је заправо наука која проучава састав и особине супстанци, као и појаве које се дешавају када супстанце реагују једна са другом. Неорганска хемија представља велики део хемије јер она проучава хемијска својства и реакције свих хемијских елемената и њихових једињења као и хемијске процесе који се збивају међу њима. Изузетак чине једињења (четворовалентног) угљеника које изучава органска хемија.

Главни чланак: Органска хемија

Органска хемија је, најопштије постављено, хемијска дисциплина која се бави проучавањем угљеника и његових једињења.^[34] Нешто конкретније, то је наука која проучава својства, структуру и реактивност органских једињења, као и начине на који се та сазнања могу применити у синтези жељених једињења. I поред сугестивног назива, спектар структура којима се бави органска хемија нипошто није ограничен на супстанце пореклом из живог света; напротив, органска синтеза бави се добијањем нових органских једињења из најразличитијих прекурсора. Ипак, за сва једињења којима се бави органска хемија заједничко је да садрже четворовалентни угљеник.

Почетком 19. века из биљака су изоловане органске супстанце које су по својим особинама биле потпуно другачије од свих до тада познатих једињења. Доктрина витализма, коју је заступао велики број хемичара тадашњице, тврдила је да је особеност свих таквих једињења присуство „животне силе“ (лат. вис виталис), без чијег учешћа је уједно и немогуће синтетисати органску материју. Овакав ригидан став по којем синтеза органских структура (које су тада сматране посебно сложенима) може да се одигра само у живим организмима, а никако у реакционој смеши, ефективно је закочио даљи развој органске хемије. 1828. године, међутим, немачки хемичар Фридрих Велер је сасвим случајно, у покушају да добије амонијум-цијанат из цијанатне киселине и амонијака, добио супстанцу коју је успешно идентификовао као уреју. Уреја је данас позната као значајан финални продукт метаболизма сисара, али је и у Велерово време била класификована као органско једињење, јер је раније била изолована из урина. Велеровом синтезом срушен је постулат да је немогуће добити органско једињење из неорганских прекурсора. Ово откриће представљало је прекретницу у развитку органске хемије које је довело до њене велике експанзије.

Током протекла два века научна основа органске хемије знатно је проширена, захваљујући и развоју других хемијских дисциплина. Има велике импликације у бројним другим пољима науке и привреде — петрохемији, фармацији, индустрији пластичних маса, прехрамбеној индустрији, индустрији боја и лакова...

Главни акценат у органској хемији данас је на органској и хиралној синтези, затим зеленој хемији, микроталасној хемији и хемији фулерена.

Главни чланак: Физичка хемија

Физичка хемија је настала комбиновањем знања из физике, хемије, термодинамике и квантне механике да би се опажене макроскопске појаве описале на атомском и молекулском нивоу, дакле, физичка хемија се бави везом између микроскопских и макроскопских особина материје. На пример, величина молекула у течности може да се одреди на основу мерења њеног индекса преламања и густине, или на основу топлотног капацитета и површинског напона.

Главни чланак: Биохемија

Биохемија је мост између биологије и хемије који проучава како комплексне хемијске реакције стварају живот. Биохемија је хибридни део хемије који конкретно проучава хемијске процесе у живим организмима. Овај чланак дискутује само копнену биохемију, која почива на угљенику и води. Како сви облици живота које данас имамо на планети имају заједничко порекло, према томе имају и сличне биохемије, као што су генетички код и стереохемија многих биомолекула. Непознато је да ли су наизменичне биохемије уопште и могуће.

Биохемија проучава структуру и фукнцију целуларних компоненти, као што су протеини, угљени хидрати, липиди, нуклеинске киселине и остали биомолекули. Иако постоји огроман број различитих биомолекула, они се често састоје од истих јединица које се понављају мономера, али који се понављају у различитим секвенцима. Недавно, биохемија је почела да се фокусира на проучавање реакција у којима су катализатори ензими, и на проучавање особина протеина.

Биохемија метаболизма ћелије и биохемија ендокриног система су два домена која су интензивно студирана. Друге области које спадају под појам биохемије су генетички код (ДНК, РНК), синтеза протеина, транспорт кроз ћелијску мембрану и трансдукција сигнала.

Главни чланак: Теоријска хемија

Теоријска хемија је подобласт хемије која користи знања из физике да се објасне или предвиде хемијски феномени. У претходним годинама чинила ју је само квантна хемија, тј. примена квантне механике да би се решили проблеми у хемији. Груба потподела теоријске хемије су електронске структуре, динамика и статистичка механика. У процесу решавања проблема, све три потгране могу бити укључене у различитом степену. Од краја Другог светског рата, развој рачунара је омогућио систематски развој рачунске хемије, вештине равијања и примене рачунарских програма за решавање хемијских проблема. Теоријска хемија се у великој мери преклапа са (теоријском или експерименталном) физиком кондензоване материје и молекуларном физиком.

Данас прихваћени модел атомске структуре је квантномеханички модел.^[36] Традиционална хемија почиње проучавањем елементарних честица, атома, молекула,^[37] хемијских једињења, метала, кристала и других агрегата материје. Ова материја се може проучавати у три (уобичајена) агрегатна стања: чврстом, течном или гасовитом стању, било у појединачном или њиховој комбинацији. Међудјеловања, реакције и трансформације које се проучавају у хемији обично су резултат интеракције између атома, који доводе до реорганизирања хемијских веза које држе атоме повезане једне с другима. Таква понашања се испитују у хемијским лабораторијама. Према стереотипским мишљењима, у хемијским лабораторијама се користе разни облици лабораторијског посуђа. Међутим, посуђе није основно у хемијским наукама, а велики број експеримената у хемији, како примијењеној тако и у индустријској, изводи се без њега.

Хемијска реакција је трансформација неких супстанци у једну или више другачијих супстанци.^[38] Основа за такве хемијске трансформације је реорганизирање електрона у хемијским везама између атома. Оне се симболички могу представити помоћу хемијских једначина, које обично укључују атоме као субјекте. Број атома на лијевој и на десној страни једначине морају бити једнаки. Само у посебним случајевима када број атома на супротним странама једначине није исти, таква трансформација се назива нуклеарна реакција или радиоактивни распад. Врсте хемијских реакција у које могу ступати супстанце и промјене енергије повезане са њима обухваћене су одређеним основним правилима, познатим као хемијски закони.

Разматрања о енергији и ентропији су незамјењиво важна у готово свим областима хемије. Хемијске супстанце се дијеле по њиховој структури, фазама, као и по хемијском саставу. Оне се могу анализирати користећи алате хемијске анализе као што су спектроскопија и хроматографија. Научници који се баве хемијским истраживањима називају се хемичарима.^[39] Већина модерних хемичара се специјализира у једној или више подобласти хемије. За детаљно изучавање хемије постоје бројни концепти од незамјењивог значаја, а неки од њих су:^[40]

Главни чланак: Материја

У хемији, материја је дефинирана као све оно што има масу у мировању и запремину (заузима простор) и сачињено је од честица. Честице које сачињавају материју такођер имају властиту масу у мировању, али је немају све честице, као што су напримјер фотони. Материја може бити чиста супстанца или смјеса двије или више супстанци.^[41]

Главни чланак: Атом

Атом (грчки άτομον (атомон) - недељив) је најмањи делић супстанце, тј. хемијског елемента који испољава све особине тог хемијског елемента. Атом се састоји из језгра и електронског омотача.^[41]

Језгро чине:

• Протони, са позитивним наелектрисањем и јединичном масом и
• Неутрони, који имају јединичну масу али нису наелектрисани.

Омотач чине:

• Електрони, који имају негативно наелектрисање и занемарљиво малу масу.

Хемијске особине атома одређује број протона у њему (редни број) и тај број је јединствен за сваки елемент, а масу број протона и број неутрона. Атом као целина је неутралан јер садржи исти број електрона и протона. Атом постаје наелетрисан тако што прими или отпусти један или више електрона и постаје јон.

Хемијске особине атома не зависе од броја неутрона, па постоје атоми истог елемента са различитим бројем неутрона - изотопи.

Главни чланак: Молекул

Молекул је најмања јединица хемијског једињења која задржава хемијски састав и својства. Молекул се састоји из више атома, истог хемијског елемента као код кисеоника, (О₂), или из различитих елемената као код воде (Х₂О).

Молекули су сувише мали да би се видели голим оком. Димензија су од 0,1 до 100 нанометара (0,0000000001 до 0,0000001 метара) мада има и изузетака. Рецимо макромолекул ДНК кад би се извадио из једра ћелије и размотао достигао би дужину једног до два метра.^[42] Међутим и тада би био невидљив јер би његово 'влакно' било пречника свега 0,000000005 м. Зато се за одређивање величине и облика молекула користе посебне методе физичке хемије а нарочито инструменталне методе.

Однос елемената који граде једињење, изражава се емпиријском формулом. На пример, воду граде водоник и кисеоник у односу 2:1, Х₂О, а етил алкохол, (етанол) угљеник, водоник и кисеоник у односу 2:6:1, C₂Х₆О. Овај однос не мора увек да одређује јединствени молекул - диметил етар има исти однос као етанол, на пример. Молекули који се састоје од истих атома, али у различитом распореду се зову изомери.

Хемијска или молекулска формула одређује тачније редослед атома који граде молекул, па је формула етанола ЦХ₃ЦХ₂ОХ а диметилетра ЦХ₃ОЦХ₃. За представљање сложенијих молекула где атоми могу бити различито распоређени у простору користе се структурне формуле. Молекулска маса је збир маса атома који чине молекул, и попут атомске, изражава се у атомским јединицама масе (атомска јединица масе = 1/12 масе изотопа ¹²C). Дуго се мислило да су дужине хемијски веза и њихови углови у молекулу константни. Међутим, модерним структурним методама нађено је да се геометрија хемијске везе незнатно мења, нарочито код сложенијих молекула.

Главни чланак: Мол (јединица)

Мол (симбол: мол) је једна од седам СИ основних јединица која мери количину супстанце система. Један мол је количина супстанце која садржи толико честица колико има атома у тачно 0,012 килограма угљеника изотопа Ц12. Ова количина је позната као Авогадров број и приближно износи 6,0221415 × 10²³.^[43][44]

Због везе јединице атомске масе са Авогадровим бројем, практични начин исказивања овога за атоме или молекуле је: Количина супстанце која садржи исти број грама као и број атомске масе супстанце. Пошто гвожђе, на пример, има атомску масу од 55,845, у једном молу гвожђа има 55,845 грама (0,055845 килограма).

Када се мол користи да би се одредила количина супстанце, потребно је навести и о којој врсти честица се ради, јер то могу бити атоми, молекули, јони... На пример, 18 грама воде садржи 1 мол молекула, 2 мола атома водоника, 1 мол атома кисеоника или укупно 3 мола атома.

Главни чланак: Хемијски елемент

Хемијски елемент се карактерише одређеним бројем протона у језгру његових атома. Овај број се назива атомски број елемента. На пример, сви атоми са 6 протона у свом језгру су атоми хемијског елемента угљеника, а сви атоми са 92 протона су атоми уранијума. Изотопи неког хемијског елемента могу имати различити број неутрона у свом језгру, док им је број протона исти. На пример, обичан водоник има само један протон у јегру, а његови изотопи деутеријум и трицијум имају по један протон и по један, односно два неутрона у свом језгру.^[45]

Најпогоднији начин за приказ хемијских елемената је периодни систем елемената, у ком су елементи груписани по својим атомским бројевима. Захваљујући њеном уређењу, групе (вертикалне колоне) и периоде (хоризонтални редови) елемената у табели деле заједничке хемијске особине, или прате одређен тренд у карактеристикама као што су атомски радијус, електронегативност, итд.^[46]

Главни чланак: Хемијско једињење

Хемијско једињење је чиста супстанца која се састоји из два или више елемената.^[47] Атоми који сачињавају једињење су међусобно везани хемијским везама и чине молекул (или кристалну решетку). Састав хемијских једињења је сталан без обзира на начин њиховог постанка (то значи да је однос атома који су повезани хемијским везама увек исти). Традиционално се хемијска једињења деле на органска и неорганска. Осим ових, постоје и разне потподеле (на киселине, базе, соли, оксиде итд.)

Међународна унија за чисту и примијењену хемију (ИУПАЦ) је поставила систем стандардне номенклатуре за све спојеве. Органски спојеви добијају име у складу са системом органске номенклатуре.^[48] Неоргански спојеви добијају име у складу са неорганском номенклатуром.^[49] Осим тога Сервис хемијских сажетака (Цхемицал Абстрацтс Сервице) препоручује метод индексирања хемијских супстанци. По тој схеми, свака хемијска супстанца се може јединствено идентифицирати помоћу броја познатог као ЦАС регистарски број.

Главни чланак: Смеша

Примјери чистих хемијских супстанци. С лијева на десно: елементи калај (Сн) и сумпор (С), дијамант (алотроп угљика), сахароза (чисти шећер) и натријум-хлорид (со) и натријум-хидрогенкарбонат (сода бикарбона), које су ионски спојеви.

Смеше су скупови две или више различитих супстанци, за разлику од чистих (простих) супстанци које сачињава само један елемент или једно једињење. Особине смеша су адитивне, односно, она задржава особине свих супстанци које је чине.^[50] Тако ће смеша гвожђа и сумпора имати особине и једног и другог елемента (гвожђе ће и даље имати магнетна својства, а сумпор жуту боју).^[51] Смеше можемо поделити на хомогене и хетерогене. Оне су обично хетерогене, што значи да се јасно могу уочити разлике између супстанци које их чине. Међутим, дешава се да су састојци неке смеше довољно мали да се не могу видети голим оком, па такве смеше изгледају хомогено. Такав је случај са крвљу. Под микроскопом се види да крв сачињава безбојна течност са суспендованим честицама. Хомогена је она супстанца код које један део има потпуно исти састав и особине као сваки други део. Примери за праве хомогене смеше (јер се хетерогеност не може доказати) су неки водени раствори (шећера, соли итд.). Ослобађање топлоте, зрачења светлости или стварање струје су појаве које обично прате неку хемијску реакцију. Уколико не дође до ових појава приликом мешања супстанци, претпоставља се да се није десила хемијска реакција, већ да се направила смеша. Састојци у смеши се раздвајају коришћењем физичких промена супстанци. При томе се могу користити различита физичка својства, као што су магнетизам, специфична тежина, (не)растворљивост у одговарајућим растварачима, тачка топљења, као и методе: дестилација, ликвација, дифузија, елутрација, флотација.

Главни чланак: Супстанца

Супстанца је облик постојања материје који је доступан људским чулима. Карактерише је маса мировања. Састоји се од веома ситних честица - атома. Данас је познато више од 40 милона различитих супстанци, од којих су неке супстанце пронађене у природи, док се друге производе вештачким путем.^[52] Без обзира на који од та два начина пронађене, велики број њих, око 100 хиљада има практичну примену.^[53]

Свака супстанца има карактеристична својства по којима се мање-више разликује од других супстанци, на пример: боју, мирис, густину, температуру топљења, температуру кључања. Наведена и слична својства супстанци, која се одређују помоћу наших чула или инструмената, називају се физичка својства. Хемијска својства супстанци испољавају се при њиховим реакцијама са другим супстанцама.

Главни чланак: Хемијске везе

Хемијска веза је привлачна сила између два атома настала интеракцијом њихових периферних (валентних) електрона. Сила је много јача од енергије топлотног кретања тако да су атоми трајно везани образујући стабилну групу - молекул. Електрони су истог наелектрисања па би требало да се одбијају, међутим, у електронским орбиталама спаривање њихових спинова стабилизује електронске парове и укупан ефекат је образовање стабилне везе. Два основна типа хемијске везе су јонска и ковалента, али се у природи срећу и 'мешане' везе, односно оне које имају делимично јонски и делимично ковалентни карактер. У прилог томе иде и то што ковалентна веза може бити поларна и неполарна. Посебан тип везе је метална веза која се ствара између атома метала.

Главни чланак: Јон

Јон је наелектрисана честица (атом или молекул) која примила или изгубила један или више електрона. Позитивно наелектрисани катјони (на пример натријумов катјон На⁺) и негативно наелектрисани ањони (на пример хлоров ањон Цл⁻) могу да образују кристалну решетку неутралне соли (на пример натријум хлорид или кухињска со НаЦл). Примери вишеатомских јона који се не распадају током киселинско-базних реакција су хидроксиди (ОХ⁻) и фосфати (ПО₄³⁻).

Јонизовани гасови се често називају плазма.

Главни чланак: Хемијске реакције

Хемијске реакције представљају трајне промене у структури полазних супстанци (реактаната или реагујућих супстанци) и настајање нових супстанци (производа) које се по саставу и својствима разликују од полазних супстанци.

Хемијске реакције се грубо могу поделити на:

1. Оксидо-редукционе реакције;
2. Комлексне реакције;
3. Хемијске реакције при којима долази до дисоцијације и асоцијације молекула, атома и јона.

Хемијске реакције одигравају се са променом супстанци и са одређеним топлотним ефектом, при чему се ослобађа енергија или троши (везује или отпушта). Уколико се приликом реакције троши или ослобађа топлота онда се говори о термохемијским реакцијама. Количина топлоте која се у току хемијске реакције ослобађа или везује назива се топлота реакције.

Хемијске реакције које се одигравају ослобађањем топлоте називају се егзотермне реакције. Хемијске реакције које се одигравају са везивањем топлоте називају се ендотермне реакције. Ако је хемијска реакција у једном смеру ендотермна у другом је егзотермна и обрнуто.

Главни чланак: Енергија

Неку хемијску реакцију увек прати повећање или губитак енергије супстанци које учествују у реакцији. Део енергије се размењује између околине и реактаната у облику топлоте или светлости, тако да продукти реакције могу имати више или мање енергије од реактаната. За реакцију се каже да је егзотермна ако је укупна количина енергије производа реакције нижа од почетне енергије реактаната, док је код ендотермних реакција ситуација обрнута.

Хемијске реакције нису могуће све док енергија реактаната не пређе енергетску баријеру која се назива енергија активације. Брзина хемијске реакције (на некој температури Т) је повезана са енергијом активације Е преко Болцмановог фактора ${\displaystyle e^{-E/kT}}$ - што је вероватноћа да молекул има енергију већу или једнаку Е на датој температури Т. Ова експоненцијална зависност брзине реакције од температуре назива се Аренијусова једначина. Енергија активације потребна за извођење хемијске реакције може бити у облику топлоте, светлости, електрицитета или механичке силе у облику ултразвука.^[54]

Са овим је повезан концепт слободне енергије, која укључује и појам ентропије, а које је врло корисно средство за предвиђање изводљивости реакције и одређивања стања равнотеже хемијске реакције. Реакција је изводљива само ако је укупна промена Гибсове слободне енталпије негативна ${\displaystyle \Delta G\leq 0\,}$; ако је једнака нули за хемијску реакцију се каже да је у равнотежи.

Постоје само ограничена могућа стања енергије електрона, атома и молекула. Она су одређена правилима квантне механике, која захтева квантовање енергије. За атоме/молекуле на вишем енергетском стању се каже да су побуђени. Ти атоми/молекули у побуђеном стању су често реактивнији, што је предуслов за хемијске реакције.

Агрегатно стање неке супстанце је увек одређено њеном енергијом и енергијом њене околине. Када су међумолекулске силе у супстанци такве да енергија окружења није довољна да их надјача, супстанца се налази у уређенијим стањима као што су течности и чврста тела, као што је случај са водом (Х₂О), која је течност на собној температури, јер су њени молекули повезани водоничним везама.^[55] Са друге стране водоник сулфид (Х₂С) је гас на собној температури и нормалном притиску, јер су његови молекули повезани слабијом дипол-дипол интеракцијом.

Прелазак енергије са једне супстанце на другу зависи од величине енергетског кванта који емитују супстанце. Ипак, топлотна енергија се лако преноси са скоро сваке супстанце на другу јер су вибрациони и ротациони енергетски нивои супстанце смештени врло близу. Пошто електронски енергетски нивои нису близу један другог, ултраљубичасто електромагнетно зрачење се не преноси истом лакоћом, а слично је и са електричном енергијом.

Постојање карактеристичних линија енергетских прелаза различитих супстанци је корисно за њихову идентификацију анализом спектралних линија различитих врста спектара, која се често користи у хемијској спектроскопији, као на пример у инфрацрвеној или микроталасној спектроскопији, нуклеарној магнетној резонанцији, резонанцији електронског спина, итд. Ово се користи за идентификацију састава удаљених објеката, као што су звезде или удаљене галаксије, анализом њеног спектра.

Термин хемијска енергија се често користи да се наговести потенцијал супстанце да изврши транформацију путем хемијске рекације односно способност да преобрази друге супстанце.

Главни чланак: Агрегатно стање

Поред специфичних хемијских особина који сврставају по различитим хемијским класификацијама, хемикалије могу постојати у неколико агрегатних стања. У вечини случајева, хемијске класификације су независне од ових класификација по стању, међутим, одређене егзотичне фазе нису компатибилне са одређеним хемијским особинама. Агрегатно стање је скуп стања хемијског система у којем он има сличне структурне особине, под одређеним условима околине, од којих су два најзначајнија: притисак и температура.

Физичке особине, попут густоће и индекса преламања теже да се крећу унутар вриједности карактеристичних за одређено агрегатно стање. Стање материје се дефинира као фазни пријелаз, у којем, када се енергија доведе или одведе из система, прелази у "преорганизирање" структуре система, умјесто промјене опћенитих услова. Понекад дистикција између фаза може бити континуирана умјесто да има јасну границу, у том случају за материју се каже да је у суперкритичном стању. Када се три стања налазе истовремено под одређеним околностима, такви услови се називају тројна тачка, а пошто је она инваријанта, уобичајено се она дефинира као скуп одређених услова.

Најпознатији примјери агрегатних стања су чврста тијела, текућине и гасови. Многе супстанце могу постојати у облика у чврстој фази. Напримјер, постоје три фазе чврстог жељеза (алфа, гама и делта) које варирају у односу на температуру и притисак. Основна разлика између чврстих фаза је кристална структура, или аранжирање атома. Друга фаза која се обично јавља у студијама хемије је водена односно течна фаза, која је стање супстанце растворене у воденом раствору (тј. у води).

Нешто мање уобичајене фазе су стање плазме, Босе-Еинстеиновог кондензата и фермионског кондензата, те парамагнетске и феромагнетске фазе магнетичних материјала. Иако се већина уобичајених стања односи у тродимензионалне системе, тако је могуће дефинирати и аналоге у дводимензионалним системима, које имају посебну пажњу због њихове релеватности у биолошким системима.

• Периодни сустав елемената
• Нобелова награда за хемију
• Балансирање хемијских једначина
• Алхемија

	У Wикимедијиној остави налази се чланак на тему: Цхемистрy
	Потражите израз хемија у W(ј)ечнику, слободном рјечнику.