כימיה לבגרות/ההיסטוריה של הכימיה
ההיסטוריה של הכימיה
[עריכה]ההיסטוריה של הכימיה מתחילה לפני יותר מ-4,000 שנה במצרים העתיקה, שם החלו הנסיונות הראשונים בכימיה ניסויית (המכונה "כימיה רטובה", בניגוד לכימיה תאורטית)
ארבעת היסודות
[עריכה]
למעשה, התגובה הכימית הראשונה ששירתה את האנושות ונעשה בה שימוש רב ועצום הייתה בעירה. האש, בהיעדר הסבר מדעי, הייתה במשך מאות שנים כוח מיסטי בלתי-מוסבר היכול לשנות חומר לחומר אחר (שריפת עץ, או הרתחת מים) תוך פליטת חום ואור. לאש הייתה השפעה רבה על האנושות בהיבטים רבים: החל מהיבטים פשוטים, של תאורה ובישול ועד לטכנולוגיות מתקדמות, כגון קדרות, יצירת לבנים והתכת מתכות ליצירת כלים. הניסיונות הראשונים לקבוע את מבנהו של החומר היו ניסיונות פילוסופיים ועסקו בניסיונות להסביר את ההבדלים הנראים בין חומרים (צבע, ריח, צפיפות), את מצבי הצבירה השונים של חומר (מוצק, נוזל וגז) ואת התגובות השונות בעת חשיפת החומר לסביבה שונה (שפיכת מים על אש). ההיסטוריה של תאוריות פילוסופיות כאלו מעידה כי כמעט בכל תרבות יש ניסיונות להסביר את התופעות הנצפות. מרבית התאוריות הראשוניות הללו עוסקות בקיומם של מספר קטן של יסודות המרכיבים את כלל החומרים בטבע. תחילה היו אלה החומרים והתופעות שסבבו את האדם, כדוגמת מים, עץ, אדמה, אור ואש. התאוריה כי קיימים ארבעה יסודות (אש, אוויר, מים ואדמה) אשר שילובם ביחסים שונים נותן את כלל החומרים הקיימים התפתחה במקביל במספר תרבויות שלא נפגשו כלל: התרבות ההודית, יוון העתיקה ואף בתרבות המאיה.
האלכימיה
[עריכה]אבן החכמים ותחילת האלכימיה
[עריכה]היכולת להפוך עופרת או כל מתכת זולה אחרת לזהב היוותה רצון עז בקרב הציבור לעסוק באלכימיה. החומר המסתורי שהיה צפוי לעזור בכך, היה חומר המופק או מופרש מאבן החכמים. ניסיונות אלו היוו את הבסיס לאלכימיה. לאלכימיה היו שתי מטרות עיקריות: הפיכת מתכות פשוטות לזהב ומציאת תרופה אחת שתרפא את כל המחלות וכל השותה ממנה יזכה לנעורי נצח. האלכימיה הייתה שילוב של כימיה, פיזיקה, מיסטיקה ודת. הישגה העיקרי של האלכימיה היה מציאת חומרים חדשים ויצירת טכניקות וכלים חדשים לשימוש מדעי, כיוון שלא אבן החכמים ולא "תרופת העל" נמצאו מעולם.
בעיות האלכימיה
[עריכה]התקדמות האלכימיה יצרה אמנם חומרים חדשים וטכניקות חדשות ליצירת תגובות בין חומרים, אך השיטות בהן עסקו האלכימאים האטו את התקדמות הכימיה ממספר סיבות. ראשית, לא הייתה שיטה מסודרת למתן שמות לחומרים. שנית, המושגים ויחידות המידה לא הוגדרו על ידי אף גורם אחיד, ומשמעותם הייתה שונה ממקום למקום. בנוסף, הקשו מאוד העדרם של שיטה מדעית ותיעוד ראוי. אמנם, אלכימאים רבים תיעדו את הניסויים שערכו, ואף תיעדו מידע שאינו רלוונטי כדוגמת מצב הירח או הגאות, אך תיעוד זה לא איפשר חזרה על ניסויים, מאבני היסוד של השיטה המדעית. השפה העמומה חסרת המושגים בה השתמשו חלק מהאלכימאים שימשה יותר להסתרת הישגיהם והסוואת כשלונותיהם מאשר לדיווח מדעי. מהמאה הארבע עשרה לערך, תיעוד הנסיונות נעשה ברור יותר, כיוון שאלכימאים רבים החלו להטיל ספק בקיומה של אבן החכמים, ולכן נוצר צורך שאחרים יוכלו לחזור על הניסוי.
מאלכימיה לכימיה
[עריכה]כימאים ראשונים
[עריכה]בעולם הערבי, בעיקר בבצרה ובבגדד, עסקו תחילה מדענים מוסלמים רבים בתרגום העבודה שנעשתה ביוון העתיקה לערבית. לאחר מכן, החלו הכימאים המוסלמים מגיעים להישגים מתקדמים יותר מאשר באירופה. ג'אבר בן חיאן היה כימאי ואלכימאי מוסלמי בן המאה התשיעית. ג'אבר החיל שיטה מסודרת וניסיונית של חקירה במעבדה, שכללה הסקת מסקנות, בניגוד ליוונים והמצרים, שעבודתם כללה ניחושים רבים וניסיונות שאינם בהכרח קשורים זה לזה. לזכותו נזקפים הישגים רבים כדוגמת יצירת תרופות שונות וכלים חדשים, הבחנה בין חומצות לבסיסים ועוד. בין הכימאים המוסלמים הראויים לציון נמצאים ג'עפר א-צאדק אבן ח'לדון, אבן סינא ואחרים אשר סירבו לעסוק באלכימיה ובתאוריות המאפשרות מעבר בין מתכות שונות בטענה שהן מופרכות. כימאים אחרים תיארו גרסאות מוקדמות של חוק שימור המסה כאשר הן מציינים כי חומר יכול להשתנות אך לא להעלם. אל-ראזי הפריך את טענותיו של אריסטו בדבר ארבעת היסודות ויצר סט של כללים לניסויים. במעבדתו הוא יצר יותר מעשרים כלים, ביניהם כור היתוך, כלים שונים לזיקוק ותנורים שונים המשמשים, בצורה כזו או אחרת, עד ימינו.
באירופה התנהלה האלכימיה בתחילה כמרדף לשחזור ההישגים של הכימאים המוסלמים: שימוש בארצות מוסלמיות לשעבר כדוגמת ספרד ותרגומים מהערבית ללטינית אפשרו את התקדמות הכימיה באירופה. עם הזמן, החלו הכימאים האירופאים עולים על עמיתיהם המוסלמים. פאראצלסוס (שזיהה את המימן בתור יסוד) דחה את תאוריית ארבעת היסודות ועם הבנה מעורפלת בלבד בכימיקלים ותרופות יצר מדע המשלב כימיה ורפואה. עם זאת עבודתו של פאראצלסוס לא הייתה מדויקת ומסודרת: באחד מניסיונותיו ליצור תרכובות חדשות על ידי יצירת תגובה בין כספית וגפרית יצר, את מה שכינה "שמן של גפרית". למעשה היה זה דיאתיל אתר, חומר שאינו מכיל גפרית ואינו מכיל כספית כלל.
רוברט בויל נחשב כמי שיצר את הכימיה המודרנית וגרם להבדלתה והרחקתה מהאלכימיה. בעיני רבים, נחשב בויל לאבי הכימיה המודרנית. בשנת 1661 פרסם בויל את ספרו "הכימאי הספקן". בספר מפורסם ופורץ דרך זה בויל דורש שהכימיה תחדל להיות כפופה לרפואה או לאלכימיה כפי שהייתה עד אז, ושתקבל מעמד של מדע בפני עצמו. זו בעצם הפעם הראשונה שהכימיה זוכה למעמד של מדע. בספרו הוא מנסה לפתח מודל עבור התאוריה האטומית, מודל בעל הצלחה מסוימת, אך שלימים יוכח כשגוי. בויל השתייך לאסכולה האטומיסטית, אך העדיף את המינוח גופיף (corpuscle) על המונח אטום. הגדרת הגופיף לפי בויל הייתה החלוקה הקטנה האפשרית בה שומר החומר על תכונותיו. על שמו של בויל קרוי חוק בויל. למרות כל הצלחותיו אלה, מי שנושא בתואר "אבי הכימיה המודרנית" הוא אנטואן לבואזיה שלזכותו נזקפים גילוי חוק שימור החומר בשנת 1789. עם גילויו של חוק זה, הכימיה הפכה למדע מדויק וכמותי, המאפשר חזרות על ניסויים וקיום תחזיות בניסויים שטרם נערכו. מחקר כמותי ולא רק איכותי היה חלק מהמסורת המדעית המקובלת בכימיה בזמנו של לבואזיה. אף על פי כן, לבואזיה הנהיג שיטות מדידה סטנדרטים כמותיים מחמירים יותר מאלה שהיו נהוגים עד זמנו. ב-1775 שירת ב"מנהל אבק השריפה המלכותי" בארסנל בפריז והקים שם מעבדה משוכללת שמשכה כימאים מכל אירופה שבאו ללמוד את שיטותיו המהפכניות. עבודתו היסודית שם, במיוחד ההשגחה על ניקיון המרכיבים ויחסי הכמויות ביניהם, הובילה לשיפור בייצור אבק שריפה. כמו כן נעשה שימוש בכישוריו בכימיה חקלאית, בתכנון שיטה חדשה לשימוש באשלגן חנקתי המשמש כדשן.
לבואזיה גילה גם ש"הגז הדליק" שגילה הנרי קוונדיש, שהוא כינה אותו מימן (ביוונית: יוצר מים), מגיב עם חמצן ליצירת טל - מים. עבודתו של לבואזיה בתחום זה מבוססת חלקית על עבודתו של ג'וזף פריסטלי. לבואזיה התכתב עם פריסטלי, ושניהם היו חברים באגודה המדעית האנגלית "Lunar Society". לאחר זמן ניסה לבואזיה לזקוף לזכותו את הישגיו של פריסטלי וטען שעבודותיו וגילוייו של פריסטלי הם בעצם שלו. נטען שנטייה זו להשתמש בתוצאותיהם של אחרים ולהתבסס עליהן ללא איזכור נאות כמקובל הייתה דפוס התנהגות חוזר אצל לבואזיה.
לבואזיה נחשב כחלוץ הסטויכיומטריה. ניסוייו היו מהימנים יותר מאלה של קודמיו. הוא הראה שאף על פי שבמהלך תגובה כימית החומר משנה את מצבו, כמות החומר לפני כל תגובה כימית ולאחריה היא תמיד זהה. הוא שרף זרחן וגופרית באוויר והוכיח שמשקל התוצרים לאחר השריפה היה גדול יותר ממשקל המגיבים המקורי. אולם עובדה זו לא הטעתה את לבואזיה, שהוכיח שהמשקל העודף לאחר השריפה בא מן האוויר שמשקלו ירד, כך שבכל זאת משקל החומרים הכולל לפני תגובה כימית ולאחריה הוא גודל קבוע. ניסויים אלה היוו את העדות לחוק שימור החומר.
במשך עשורים רבים, רשימת היסודות המוכרים הלכה ותפחה. מספר כימאים חיפשו דרך לארגן את היסודות באופן שיציג תכונות משותפות של מספר יסודות. לבואזיה פרסם רשימה של 33 יסודות שאותה חילק למשפחות שונות: גזים, מתכות, אלמתכות ועוד. פריצת הדרך הגדולה הושגה על ידי דימיטרי מנדלייב, פרופסור רוסי לכימיה ולותר מאייר אשר השיגו את פריצת הדרך כאשר אירגנו את היסודות לפי מספר אטומי. גדולתו של מנדלייב באה לידי ביטוי בכך שהשאיר מקומות ריקים עבור יסודות, מתוך הבנה כי קיימים יסודות שטרם התגלו. בכך, ניבא למעשה מנדלייב את קיומם של יסודות רבים כדוגמת גרמניום וסקנדיום. יסודות אלה התגלו מספר שנים לאחר הצגתה של הטבלה של מנדלייב ב 1870. רק שנים רבות לאחר הצגת הטבלה, עם הבנת מבנה האטום, הוסבר הקשר בין מבנה האטום והמספר האטומי. הטבלה המחזורית שינתה את אופן ארגון המידע באופן קיצוני: ניתן היה לחזות כיצד יגיבו יסודות שונים השייכים לאותה משפחה. גם כיום, בעידן המידע, הטבלה המחזורית היא הכלי הבסיסי ביותר לכל הלומדים והעוסקים בכימיה.
הכימיה המודרנית
[עריכה]טרם המאה העשרים, הכימיה הוגדרה כמדע החוקר את טבעו של החומר ושינויי הצורה שלו. בכך היה ברור הגבול בין הכימיה לפיזיקה, כיוון שהפיזיקה לא עסקה כלל בשינויי הצורה של החומר. בנוסף, בניגוד לפיזיקה, הכימיה לא עסקה כמעט בכלל במתמטיקה. בתקופה מוקדמת של הכימיה העיסוק במתמטיקה לא נדרש וכימאים רבים ראו בו תוספת מיותרת. כיום, מודלים מתמטיים רבים משמשים את הכימיה והתוצאות המחושבות על פי המודלים תואמות המידה רבה את התוצאות הנמדדות.
לאחר גילוי מבנה האטום על ידי ארנסט רתרפורד ונילס בוהר בשנת 1912, ומחקרם של מארי ופייר קירי בנושא הרדיואקטיביות, החלה להשתנות נקודת מבטם של המדענים על החומר. לא נדרשה עוד הבנה של כל החומר ומאפייניו, אלא של הגרעין, של ענן האלקטרונים הסובב אותו והשדה החשמלי, כיוון שהוברר כי מרבית הכימיה היא כימיה של אלקטרונים, והיא עוסקת בקישור שביניהם ובמעברם. משכך, ניתן היה לחקור את החומר בתנאים רגילים של לחץ, טמפרטורה וקרינה אלקטרומגנטית, ולהסיק מסקנות לגבי התנהגות החומר בטווח רחב של מקרים. הכימיה הוגדרה מעתה כמדע העוסק בהרכבו, מבנהו ומאפייניו של החומר והתגובות שלו עם חומרים אחרים.
משמעות הגדרה זו אמנם משאירה את תחום המחקר העוסק בגרעין ובתגובות גרעיניות לפיזיקאים, אך בשיטת המחקר כיום, המשלבת דיסיפלינות שונות, התערערו הגבולות המסורתיים. עדיין, תחום המחקר העוסק בכימיה של אלקטרונים גדול דיו והקביעה כי "הכימיה נמצאת בכל" נותרה מדויקת.
| - | ההיסטוריה של הכימיה | - |