化学

化学は、物質の性質と挙動に関する科学的研究です。^[1]化学は、自然科学の中の物理科学であり、物質を構成する化学元素や、原子、分子、イオンからなる化合物、すなわちその組成、構造、性質、挙動、および他の物質との反応中に生じる変化を研究します。^{[2] [3] [4] [5]化学は、}化合物内の化学結合の性質についても扱います。

化学は、その分野の範囲において、物理学と生物学の中間的な位置を占めています。^{[6]化学は、}基礎科学と応用科学の両方を基本的なレベルで理解するための基盤を提供するため、中心的な科学と呼ばれることもあります。 ^[7]たとえば、化学は、植物の成長（植物学）、火成岩の形成（地質学）、大気中のオゾンの形成と環境汚染物質の分解（生態学）、月の土壌の特性（宇宙化学）、薬の作用（薬理学）、犯罪現場でのDNA証拠の収集方法（法医学）などを説明します。

化学は古代から様々な名前で存在してきました。^[8]化学は進化し、現在では様々な専門分野やサブ分野を包含しており、その数は増え続け、相互に関連してさらなる学際的な研究分野を生み出しています。化学の様々な分野の応用は、化学産業において経済的目的のために頻繁に使用されています。

化学という語は、ルネッサンス期に錬金術という語が改変されたことに由来しており、錬金術は化学、冶金学、哲学、占星術、天文学、神秘主義、医学の要素を含む初期の一連の実践を指していた。錬金術は鉛やその他の卑金属を金に変える探求と関連付けられることが多いが、錬金術師は現代化学の多くの問題にも興味を持っていた。^{[9] [10]}

現代の錬金術という言葉は、アラビア語のal-kīmīā ( الكیمیاء )に由来しています。これはエジプト語に由来している可能性があります。なぜなら、 al-kīmīāは古代ギリシャ語の χημίαに由来しており、これはエジプト語でエジプトの古代名であるKemet という言葉に由来しているからです。 ^[11]あるいは、al-kīmīā はχημεία 「一緒に鋳造する」から派生している可能性があります。^[12]

現在の原子構造モデルは量子力学モデルです。^[13]伝統的な化学は、素粒子、原子、分子、^[14] 物質、金属、結晶、その他の物質の集合体の研究から始まります。物質は、固体、液体、気体、プラズマの状態で、単独でも組み合わせでも研究できます。化学で研究される相互作用、反応、変換は通常、原子間の相互作用の結果であり、原子をまとめている化学結合の再配置につながります。このような動作は化学実験室で研究されます。

化学実験室では、典型的にはさまざまな形態の実験用ガラス器具が使用されます。しかし、ガラス器具は化学の中心ではなく、実験化学（および応用化学/工業化学）の多くはガラス器具なしで行われます。

化学反応とは、ある物質が一つ以上の異なる物質に変化することである。^[15]このような化学変化の基礎は、原子間の化学結合における電子の再配置である。これは、通常、原子を主語とする化学式によって象徴的に表すことができる。化学変化の式の左側と右側の原子の数は等しい。（両側の原子の数が等しくない場合、その変化は核反応または放射性崩壊と呼ばれる。）物質が受ける化学反応の種類とそれに伴うエネルギー変化は、化学法則と呼ばれる特定の基本ルールによって制約される。

エネルギーとエントロピーの考慮は、ほぼすべての化学研究において常に重要です。化学物質は、その構造、相、化学組成の観点から分類されます。それらは、分光法やクロマトグラフィーなどの化学分析ツールを使用して分析できます。化学研究に従事する科学者は化学者と呼ばれます。^[16]ほとんどの化学者は、1つまたは複数のサブ分野を専門としています。化学の研究にはいくつかの概念が不可欠です。そのいくつかは次のとおりです。^[17]

化学において、物質とは静止質量と体積（空間を占める）を持ち、粒子で構成されているものと定義されます。物質を構成する粒子も静止質量を持っていますが、光子のようにすべての粒子が静止質量を持っているわけではありません。物質は純粋な化学物質の場合もあれば、物質の混合物の場合もあります。 ^[18]

原子は化学の基本単位です。原子核と呼ばれる高密度の核と、その周囲を電子雲が占める空間で構成されています。原子核は正に帯電した陽子と電荷を帯びていない中性子（まとめて核子と呼びます）で構成され、電子雲は原子核の周りを回る負に帯電した電子で構成されています。中性原子では、負に帯電した電子が陽子の正電荷とバランスをとっています。原子核は高密度で、核子の質量は電子の約 1,836 倍ですが、原子の半径は原子核の約 10,000 倍です。^{[19] [20]}

原子はまた、電気陰性度、イオン化ポテンシャル、好ましい酸化状態、配位数、形成する好ましい結合の種類（金属結合、イオン結合、共有結合など）などの元素の化学的性質を保持するために想定される最小の実体でもあります。

化学元素は、単一の種類の原子から構成される純粋な物質であり、原子核内の特定の数の陽子によって特徴付けられ、原子番号として知られ、記号Zで表される。質量数は、原子核内の陽子と中性子の数の合計である。1 つの元素に属するすべての原子の核はすべて同じ原子番号を持ちますが、必ずしも同じ質量数を持つとは限りません。異なる質量数を持つ元素の原子は同位体と呼ばれます。たとえば、核内に 6 個の陽子を持つすべての原子は化学元素炭素の原子ですが、炭素原子の質量数は 12 または 13 になることがあります。^[20]

化学元素の標準的な表示方法は周期表で、原子番号順に並べられています。周期表はグループ（列）と周期（行）で構成されています。周期表は周期的な傾向を特定するのに役立ちます。^[21]

化合物は、複数の元素からなる純粋な化学物質です。化合物の特性はその元素の特性とほとんど類似していません。^[22]化合物の標準命名法は、国際純正・応用化学連合（IUPAC）によって設定されています。有機化合物は、有機命名法システムに従って命名されます。^[23]無機化合物の名前は、無機命名法システムに従って作成されます。化合物が複数の成分を持つ場合、それらは電気陽性成分と電気陰性成分の2つのクラスに分けられます。^[24]さらに、Chemical Abstracts Serviceは、化学物質を索引付けする方法を考案しました。この方式では、各化学物質は、 CAS登録番号と呼ばれる番号で識別できます。

分子は、独自の化学的性質、つまり他の物質と特定の化学反応を起こす可能性を持つ純粋な化学物質の最小の分割不可能な部分です。ただし、この定義は分子で構成されている物質にのみ適用され、多くの物質には当てはまりません (以下を参照)。分子は通常、共有結合によって結合した原子の集合であり、その構造は電気的に中性で、すべての価電子は結合または孤立電子対のいずれかで他の電子と対になっています。

したがって、分子はイオンとは異なり、電気的に中性の単位として存在します。この規則が破られ、「分子」に電荷が与えられると、その結果は分子イオンまたは多原子イオンと呼​​ばれることがあります。ただし、分子の概念の離散的で独立した性質により、通常、分子イオンは質量分析計の真空中の指向性ビームなど、十分に分離された形式でのみ存在する必要があります。固体中に存在する帯電した多原子集合体 (一般的な硫酸イオンや硝酸イオンなど) は、化学では一般に「分子」とは見なされません。一部の分子には 1 つ以上の不対電子が含まれており、ラジカルを生成します。ほとんどのラジカルは比較的反応性が高いですが、一酸化窒素(NO)などの一部のラジカルは安定しています。

「不活性」または希ガス元素（ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン）は、最小の個別単位として孤立原子で構成されていますが、その他の孤立した化学元素は、分子または何らかの方法で互いに結合した原子のネットワークで構成されています。識別可能な分子は、水、空気、アルコール、砂糖、ガソリン、さまざまな医薬品などの多くの有機化合物などの身近な物質を構成しています。

しかし、すべての物質や化合物が個別の分子で構成されているわけではなく、実際、地球の地殻、マントル、核を構成する固体物質のほとんどは、分子を持たない化合物です。イオン化合物やネットワーク固体などの他の種類の物質は、識別可能な分子自体が存在しないような方法で構成されています。代わりに、これらの物質は、物質内の最小の繰り返し構造である化学式単位または単位格子の観点から説明されます。このような物質の例には、無機塩（食塩など）、炭素やダイヤモンドなどの固体、金属、石英や花崗岩などのよく知られたシリカやケイ酸塩鉱物があります。

分子の主な特徴の 1 つは、その形状、つまり構造と呼ばれるものです。二原子分子、三原子分子、四原子分子の構造は単純 (直線状、角錐状など) ですが、6 個を超える原子 (複数の元素) で構成される多原子分子の構造は、その化学的性質にとって極めて重要です。

純粋な化学物質の例。左から右へ:スズ(Sn) と硫黄(S) の元素、ダイヤモンド(炭素の同素体)、スクロース(純粋な砂糖)、塩化ナトリウム(塩) と重炭酸ナトリウム(重曹) (どちらもイオン化合物)。

化学物質は、特定の組成と一連の特性を持つ物質の一種です。^[25]物質の集まりは混合物と呼ばれます。混合物の例としては、空気や合金などがあります。^[26]

モルは物質の量（化学量とも呼ばれる）を表す測定単位です。1モルは、正確に6.022 140 76 × 10 ^{23 個の}粒子（原子、分子、イオン、または電子）であり、 1モルあたりの粒子の数はアボガドロ定数として知られています。^[27] モル濃度は溶液の体積あたりの特定の物質の量であり、通常はmol/ dm ³で報告されます。^[28]

異なる化学分類を区別する特定の化学特性に加えて、化学物質はいくつかの相で存在することがあります。ほとんどの場合、化学分類はこれらのバルク相分類とは無関係ですが、より特殊な相の中には、特定の化学特性と互換性のないものもあります。相とは、圧力や温度などのさまざまな条件において、同様のバルク構造特性を持つ化学システムの状態の集合です。

密度や屈折率などの物理的特性は、相の特性値の範囲内に収まる傾向があります。物質の相は相転移によって定義されます。相転移とは、システムに出入りするエネルギーが、バルク状態を変えるのではなく、システムの構造を再編成するために使用されることです。

時には、相間の区別は、個別の境界を持つのではなく、連続的であることがあります。この場合、物質は超臨界状態にあると考えられます。条件に基づいて 3 つの状態が出会う場合、それは三重点として知られており、これは不変であるため、一連の条件を定義する便利な方法です。

相の最もよく知られた例は、固体、液体、および気体です。多くの物質は複数の固相を示します。たとえば、固体鉄には 3 つの相(アルファ、ガンマ、およびデルタ) があり、温度と圧力に応じて変化します。固相間の主な違いは、結晶構造、つまり原子の配置です。化学の研究でよく見られるもう 1 つの相は水相です。これは、物質が水溶液(つまり、水) に溶解した状態です。

あまり知られていない相としては、プラズマ、ボーズ・アインシュタイン凝縮体、フェルミオン凝縮体、磁性体の常磁性相と強磁性相などがあります。最もよく知られている相は3次元系に関するものですが、2次元系でも類似物を定義することが可能であり、生物学のシステムとの関連性で注目を集めています。

分子や結晶の中でくっついている原子は、互いに結合していると言われています。化学結合は、原子核内の正電荷とその周りを振動する負電荷の間の多極バランスとして視覚化できます。 ^[29]単純な引力と反発力以上に、エネルギーと分布は、電子が他の原子と結合できるかどうかを特徴づけます。

化学結合は、共有結合、イオン結合、水素結合、または単にファンデルワールス力によるものです。これらの種類の結合はそれぞれ、何らかの電位に起因します。これらの電位は、分子または結晶内で原子を結合させる相互作用を生み出します。多くの単純な化合物では、原子価結合理論、原子価殻電子対反発モデル ( VSEPR )、および酸化数の概念を使用して、分子の構造と構成を説明できます。

イオン結合は、金属が電子を 1 つ以上失って正に帯電した陽イオンになり、非金属原子がその電子を得て負に帯電した陰イオンになったときに形成されます。2 つの反対に帯電したイオンは互いに引き合い、イオン結合はそれらの間の静電気引力です。たとえば、金属のナトリウム(Na) は電子を 1 つ失って Na ⁺陽イオンになり、非金属の塩素(Cl) はこの電子を得てCl ⁻になります。イオンは静電気引力によって一緒に保持され、その化合物である塩化ナトリウム(NaCl)、つまり一般的な食卓塩が形成されます。

共有結合では、1 つ以上の価電子対が2 つの原子によって共有されます。結果として得られる電気的に中性な結合原子のグループは、分子と呼ばれます。原子は、各原子に対して希ガスの電子配置 (最外殻に 8 つの電子)を作成するように価電子を共有します。各原子が価電子殻に 8 つの電子を持つように結合する傾向がある原子は、オクテット則に従うと言われています。ただし、水素やリチウムなどの一部の元素は、この安定した配置を達成するために最外殻に 2 つの電子のみを必要とします。これらの原子はデュエット則に従うと言われ、このようにして、外殻に 2 つの電子を持つ希ガスのヘリウムの電子配置に到達しています。

同様に、古典物理学の理論は多くのイオン構造を予測するために使用できます。金属錯体などのより複雑な化合物の場合、原子価結合理論はあまり適用できず、分子軌道理論などの代替アプローチが一般的に使用されます。

化学の文脈では、エネルギーは、原子、分子、または集合構造の結果としての物質の属性です。化学変化は、これらの種類の構造の 1 つ以上の変化を伴うため、関与する物質のエネルギーの増加または減少が必ず伴います。一部のエネルギーは、熱または光の形で周囲と反応物の間で伝達されます。したがって、反応の生成物は、反応物よりも多くのエネルギーまたは少ないエネルギーを持つ場合があります。

最終状態がエネルギースケールで初期状態よりも低い場合、反応は発エルゴン的であると言われます。吸エルゴン的反応の場合は、状況は逆になります。反応が周囲に熱を放出する場合、反応は発熱的であると言われます。吸熱的反応の場合は、反応が周囲から熱を吸収します。

化学反応は、反応物が活性化エネルギーと呼ばれるエネルギー障壁を乗り越えない限り、常に起こり得ません。化学反応の速度（与えられた温度Tにおいて）は、活性化エネルギーEとボルツマンの個体数係数（与えられた温度Tにおいて分子がE以上のエネルギーを持つ確率）によって関連しています。反応速度が温度に対して指数関数的に依存することは、アレニウスの式として知られています。化学反応を起こすために必要な活性化エネルギーは、熱、光、電気、または超音波の形の機械的な力の形をとることができます。^[30]${\displaystyle e^{-E/kT}}$

エントロピーを考慮した関連概念である自由エネルギーは、化学熱力学において、反応の実現可能性を予測し、化学反応の平衡状態を決定するための非常に有用な手段です。反応は、ギブスの自由エネルギーの総変化が負の場合にのみ実現可能です。ギブスの自由エネルギーがゼロの場合、化学反応は平衡状態にあると言われます。 ${\displaystyle \Delta G\leq 0\,}$

電子、原子、分子のエネルギー状態は限られています。これらは量子力学の法則によって決定され、束縛されたシステムのエネルギーの量子化を必要とします。より高いエネルギー状態にある原子/分子は励起されていると言われています。励起エネルギー状態にある物質の分子/原子は、多くの場合、はるかに反応性が高く、つまり化学反応を起こしやすくなります。

物質の相は、その物質のエネルギーと周囲のエネルギーによって常に決まります。物質の分子間力が周囲のエネルギーで克服できないほど大きい場合、その物質は液体または固体のようなより秩序だった相をとります。水 (H ₂ O) は分子が水素結合で結びついているため、室温で液体です。^[31]一方、硫化水素(H _{2 S) は分子がより弱い}双極子間相互作用で結びついているため、室温および標準圧力では気体です。

ある化学物質から別の化学物質へのエネルギーの移動は、ある物質から放出されるエネルギー量子の大きさに依存します。ただし、熱エネルギーは、物質内の振動および回転エネルギー レベルの原因となるフォノンのエネルギーが、電子エネルギーの移動に呼び出される光子のエネルギーよりもはるかに小さいため、ほとんどの物質から別の物質に簡単に移動できます。したがって、振動および回転エネルギー レベルは電子エネルギー レベルよりも狭い間隔にあるため、光やその他の形態の電子エネルギーに比べて、熱は物質間で簡単に移動できます。たとえば、紫外線電磁放射は、熱エネルギーや電気エネルギーほど効率的に 1 つの物質から別の物質に転送されません。

さまざまな化学物質に特徴的なエネルギーレベルが存在することは、スペクトル線の分析によるそれらの識別に役立ちます。化学分光法では、IR、マイクロ波、NMR、ESRなど、さまざまな種類のスペクトルがよく使用されます。分光法は、放射スペクトルを分析することで、星や遠方の銀河などの遠隔物体の組成を識別するためにも使用されます。

化学エネルギーという用語は、化学物質が化学反応によって変化する可能性、または他の化学物質を変換する可能性を示すためによく使用されます。

化学物質が他の物質またはエネルギーとの相互作用の結果として変化すると、化学反応が起こったとされます。したがって、化学反応とは、混合物または溶液として他の物質と密接に接触した場合、または何らかの形のエネルギーにさらされた場合、またはその両方である場合の物質の「反応」に関連する概念です。その結果、反応の構成要素間およびシステム環境（設計された容器、多くの場合は実験用ガラス器具）との間でエネルギー交換が行われます。

化学反応は分子の形成または解離、つまり分子が分解して 2 つ以上の分子を形成したり、分子内または分子間で原子が再配置されたりすることがあります。化学反応では通常、化学結合の形成または切断が伴います。一般的な化学反応の例としては 、酸化、還元、解離、酸塩基中和、分子の再配置などがあります。

化学反応は化学式で象徴的に表すことができます。非核化学反応では式の両辺の原子の数と種類は等しくなりますが、核反応ではこれは核粒子、すなわち陽子と中性子にのみ当てはまります。^[32]

化学反応の過程で化学結合の再編成が起こる一連のステップは、その反応機構と呼ばれます。化学反応は、それぞれ速度が異なるいくつかのステップで起こると考えられます。したがって、反応の過程では、安定性の異なる多くの反応中間体が発生する可能性があります。反応機構は、反応の速度論と相対的な生成物の混合を説明するために提案されています。多くの物理化学者は、さまざまな化学反応の機構の調査と提案を専門としています。ウッドワード・ホフマン則などのいくつかの経験則は、化学反応の機構を提案する際に役立つことがよくあります。

IUPACゴールドブックによると、化学反応とは「化学種の相互変換をもたらすプロセス」です。^[33]したがって、化学反応は素反応または段階的反応である可能性があります。この定義には、コンフォーマーの相互変換が実験的に観察可能な場合も含まれるという追加の注意点があります。このような検出可能な化学反応には通常、この定義で示されるように分子実体の集合が関与しますが、単一の分子実体（つまり「微視的化学イベント」）を含む変化にもこの用語を使用する方が概念的に便利な場合がよくあります。

イオンは、1 つ以上の電子を失ったり得たりした荷電種、原子または分子です。原子が電子を 1 つ失い、電子よりも陽子の数が多くなると、その原子は正に帯電したイオンまたは陽イオンになります。原子が電子を獲得し、電子が陽子の数より多くなると、その原子は負に帯電したイオンまたは陰イオンになります。陽イオンと陰イオンは中性塩の結晶格子を形成できます。たとえば、Na ⁺イオンと Cl ^{−イオンは}塩化ナトリウム(NaCl)を形成します。酸塩基反応で分裂しない多原子イオンの例としては、水酸化物(OH ⁻ ) やリン酸(PO ₄ ³⁻ ) などがあります。

プラズマは、通常は高温によって完全にイオン化された気体物質で構成されています。

物質は、多くの場合、酸または塩基に分類されます。酸塩基の挙動を説明する理論はいくつかあります。最も単純なのはアレニウスの理論で、酸は水に溶けるとヒドロニウムイオンを生成する物質であり、塩基は水に溶けると水酸化物イオンを生成する物質であるとしています。ブレンステッド-ローリーの酸塩基理論によると、酸は化学反応で別の物質に正の水素 イオンを供与する物質であり、ひいては、塩基はその水素イオンを受け取る物質です。

3番目の一般的な理論はルイス酸塩基理論で、これは新しい化学結合の形成に基づいています。ルイス理論では、酸は結合形成の過程で他の物質から電子対を受け取ることができる物質であり、塩基は新しい結合を形成するために電子対を提供できる物質であると説明されています。この概念の歴史を見れば明らかなように、物質を酸または塩基として分類する方法は他にもいくつかあります。^[34]

酸の強さは、一般的に 2 つの方法で測定されます。1 つは、酸性度のアレニウスの定義に基づくpHで、溶液中のヒドロニウム イオン濃度を負の対数スケールで表したものです。したがって、pH が低い溶液はヒドロニウム イオン濃度が高く、より酸性であると言えます。もう 1 つは、ブレンステッド-ローリーの定義に基づく酸解離定数(K _a ) で、これは、ブレンステッド-ローリーの酸の定義に基づいて、物質が酸として作用する相対的な能力を測定します。つまり、K _{a値が高い物質は、K a}値の低い物質よりも、化学反応で水素イオンを供与する可能性が高くなります。

酸化還元反応には、電子を得る（還元）か電子を失う（酸化）ことで原子の酸化状態が変化するすべての化学反応が含まれます。他の物質を酸化する能力を持つ物質は酸化性であると言われ、酸化剤、酸化剤、または酸化剤と呼ばれます。酸化剤は他の物質から電子を取り除きます。同様に、他の物質を還元する能力を持つ物質は還元性であると言われ、還元剤、還元剤、または還元剤と呼ばれます。

還元剤は電子を別の物質に渡し、それ自身も酸化されます。また、電子を「与える」ため、電子供与体とも呼ばれます。酸化と還元は、正確には酸化数の変化を指します。実際の電子の移動は起こらないこともあります。したがって、酸化は酸化数の増加として、還元は酸化数の減少として定義する方が適切です。

平衡の概念は科学のあらゆる分野で広く使用されていますが、化学の文脈では、互いに反応できる複数の化合物の混合物や、物質が複数の種類の相で存在できる場合など、化学組成のさまざまな状態が起こり得る場合に平衡が生じます。

平衡状態にある化学物質のシステムは、組成が変化しないとしても、ほとんどの場合は静的ではなく、物質の分子が互いに反応し続けるため、動的平衡が生じます。したがって、この概念は、化学組成などのパラメータが時間の経過とともに変化しない状態を表します。

化学反応は特定の法則によって支配されており、化学における基本的な概念となっています。その一部を以下に示します。

化学の歴史は、古代から現代までを網羅しています。紀元前数千年以来、文明は、最終的に化学のさまざまな分野の基礎となる技術を使用していました。例としては、鉱石から金属を抽出する、陶器や釉薬を作る、ビールやワインを発酵させる、薬や香水のために植物から化学物質を抽出する、脂肪を石鹸に変える、ガラスを作る、青銅などの合金を作るなどが挙げられます。

化学の先駆者には錬金術という原始科学があり、これは物質の成分とその相互作用を理解するための非科学的なアプローチでした。錬金術師は物質の性質とその変化を説明することには成功しませんでしたが、実験を行い、その結果を記録することで現代化学の基礎を築きました。ロバート・ボイルは元素に懐疑的で錬金術を確信していましたが、著書『懐疑的な化学者』 （1661年）で「神聖な芸術」を独立した基本的かつ哲学的な学問として高める上で重要な役割を果たしました。^[35]

錬金術と化学はどちらも物質とその変化に関係しているが、決定的な違いは化学者が研究に用いた科学的手法にある。錬金術とは異なる知識体系としての化学は、アントワーヌ・ラボアジエの研究によって確立された科学となった。ラボアジエは、化学現象の慎重な測定と定量的観察を必要とする質量保存の法則を開発した。その後の化学の歴史は、特にウィラード・ギブスの研究を通じて、熱力学の歴史と絡み合っている。^[36]

化学の定義は、新しい発見や理論が科学の機能性を高めるにつれて、時とともに変化してきました。1661年に著名な科学者ロバート・ボイルが述べた「化学学」という用語は、混合体の物質的原理の主題を意味していました。^[37] 1663年に化学者クリストファー・グレイザーは「化学学」を科学的技術として説明しました。これは、物体を溶解し、そこからその構成上のさまざまな物質を抽出し、それらを再び結合して、より高い完成度に高める方法を学ぶものです。^[38]

1730年にゲオルク・エルンスト・シュタールが使用した「化学」という言葉の定義は、混合、複合、または集合体をその原理に分解し、それらの原理からそのような物体を構成する技術を意味していました。^[39] 1837年、ジャン＝バティスト・デュマは「化学」という言葉は分子力の法則と効果に関する科学を指すと考えました。^[40]この定義はさらに進化し、1947年には物質の科学、つまり物質の構造、特性、および物質を他の物質に変える反応を意味するようになりました。これはライナス・ポーリングによって受け入れられた特徴です。^[41]最近では、1998年にレイモンド・チャン教授が「化学」の定義を広げ、物質とそれが受ける変化の研究を意味しました。^[42]

エジプト人^[43] 、バビロニア人[44 ] 、インド人^[45]などの初期の文明は、冶金、陶芸、染色の技術に関する実用的な知識を蓄積しましたが、体系的な理論は発展しませんでした。

基本的な化学仮説は、古代ギリシャで初めて登場しました。アリストテレスが明確に提唱した四元素説では、火、空気、土、水がすべてのものを形成する基本元素であると述べられています。ギリシャの原子論は紀元前440年にさかのぼり、デモクリトスやエピクロスなどの哲学者の著作に現れました。紀元前50年、ローマの哲学者ルクレティウスが詩『物の性質について』でこの理論を拡張しました。^{[45] [46]}現代の科学概念とは異なり、ギリシャの原子論は純粋に哲学的な性質を持ち、経験的観察にはほとんど関心がなく、化学実験にはまったく関心がありませんでした。^[47]

質量保存の考え方の初期の形は、古代ギリシャ哲学における「無からは何も生まれない」という概念であり、これはエンペドクレス（紀元前4世紀頃）の次の言葉に見出すことができる。「存在しないものから何かが生じることは不可能であり、存在するものが完全に破壊されることは起こらないし、聞いたこともない。」^[48]そしてエピクロス（紀元前3世紀）は、宇宙の性質について「物事の全体性は常に今のようなものであり、これからも常にそうなるだろう」と書いた。^[49]

ヘレニズム世界では、錬金術が最初に広まり、自然物質の研究に魔術とオカルティズムが混ざり合い、究極の目標は元素を金に変え、不老不死の霊薬を発見することでした。^[50]特に蒸留法の開発はビザンチン時代初期にも続けられ、最も有名な実践者は4世紀のギリシャ系エジプト人パノポリスのゾシモスでした。^{[51]錬金術は}イスラム教徒の征服後もアラブ世界全体で発展と実践が続けられ、^[52]そこから、そしてビザンチン帝国の残党から、^{[53]ラテン語への翻訳を通じて中世および}ルネサンス期のヨーロッパに広まりました。

ジャービル・イブン・ハイヤーンに帰せられるアラビア語の著作は、化学物質の体系的な分類を導入し、化学的手段によって有機物質（植物、血液、髪の毛など）から無機化合物（塩化アンモニウムまたは塩化物）を抽出する方法を示した。 ^[54]アラビア語のジャービル著作（例えば、「慈悲の書」や「七十の書」）の一部は、後にラテン語に翻訳され、「ゲベル」というラテン語名が付けられた。 ^{[55]また、13世紀のヨーロッパでは、通常}偽ゲベルと呼ばれる匿名の著者が、この名前で錬金術や冶金に関する著作を書き始めた。^{[56]その後、}アブー・アル・ライハーン・アル・ビールーニー^[57]やアヴィセンナ^[58]などの影響力のあるイスラム哲学者は、錬金術の理論、特に金属の変容の理論に異議を唱えた。

16 世紀の初期の化学者にとって、金属を精錬するための鉱石の精錬と抽出の改良は、広く情報源として利用されていました。その 1 人が、 1556 年に主著『金属論』を出版したゲオルク アグリコラ(1494–1555) です。金属鉱石の採掘と金属抽出の高度に発達した複雑なプロセスを説明した彼の著作は、当時の冶金学の頂点でした。彼のアプローチは、この主題に関連する神秘主義をすべて排除し、他の人々が構築できる実用的な基盤を作りました。この著作では、鉱石を精錬するために使用されたさまざまな種類の炉について説明し、鉱物とその組成への関心を刺激しました。アグリコラは「冶金学の父」であり、科学分野としての地質学の創始者と言われています。 ^{[62] [60] [61]}

フランシス・ベーコン卿らが提唱した新しい経験的方法の影響を受けて、オックスフォード大学の化学者グループ、ロバート・ボイル、ロバート・フック、ジョン・メイヨーは、古い錬金術の伝統を科学分野に作り変え始めた。特にボイルは、いくつかの一般的な化学理論に疑問を投げかけ、化学の実践者はより「哲学的」で商業志向を控えるべきだと『懐疑的な化学者』で主張した。^[35]彼はボイルの法則を定式化し、古典的な「四元素」を否定し、厳密な実験の対象となる可能性のある原子と化学反応の機械論的代替案を提案した。 ^[63]

その後の数十年間に、多くの重要な発見がなされた。例えば、「空気」の性質は多くの異なるガスから構成されていることが発見された。スコットランドの化学者ジョセフ・ブラックとフランドルのヤン・バプティスト・ファン・ヘルモントは1754年に二酸化炭素、またはブラックが「固定空気」と呼んだものを発見した。ヘンリー・キャベンディッシュは水素を発見してその特性を解明し、ジョセフ・プリーストリーとカール・ヴィルヘルム・シェーレはそれぞれ独立に純粋な酸素を単離した。フロギストン（すべての燃焼の根源にある物質）の理論は、18世紀初頭にドイツのゲオルク・エルンスト・シュタールによって提唱され、物理学におけるニュートンの化学的類似物であるフランスの化学者アントワーヌ・ラボアジエによって世紀末にようやく覆された。ラボアジエは、質量保存の原理を解明し、今日まで使用されている新しい化学命名法のシステムを開発することにより、新しい科学を適切な理論的基盤の上に確立するのに誰よりも貢献した。^[65]

イギリスの科学者ジョン・ドルトンは、すべての物質は分割できない「原子」で構成されており、異なる原子は異なる原子量を持つ という現代の原子理論を提唱しました。

化学結合の電気化学理論の発展は、19世紀初頭にイェンス・ヤコブ・ベルセリウスとハンフリー・デービーという2人の科学者の研究の結果として起こり、アレサンドロ・ボルタによる電池の発明によって可能になった。デービーは、電流を使って酸化物からアルカリ金属を抽出することで、 9つの新しい元素を発見した。^[66]

イギリス人のウィリアム・プラウトは、すべての原子の重さが水素の原子量のちょうど倍数であることから、すべての元素を原子量で並べることを初めて提案した。JARニューランズは初期の元素表を考案し、それが1860年代にドミトリ・メンデレーエフによって、またユリウス・ローター・マイヤーを含む他の数人の科学者によって独立して現代の元素周期表^[69]へと発展した。^{[70] [71]後に}希ガスと呼ばれる不活性ガスは、 19世紀末にウィリアム・ラムゼーがレイリー卿と共同で発見し、それによって周期表の基本構造が完成した。

有機化学は、フリードリヒ・ヴェーラーの尿素合成に続いて、ユストゥス・フォン・リービッヒらによって発展した。^[72] 19世紀のその他の重要な進歩としては、原子価結合の理解（ 1852年のエドワード・フランクランド）と熱力学の化学への応用（1870年代の JWギブスとスヴァンテ・アレニウス）が挙げられる。

20 世紀初頭、原子の内部構造の本質を探求し発見することに成功した一連の驚くべき発見により、化学の理論的基礎がようやく理解されました。1897 年、ケンブリッジ大学のJJ トムソンが電子を発見し、その後すぐにフランスの科学者ベクレル、ピエールおよびマリー・キュリー夫妻が放射能現象を調査しました。マンチェスター大学のアーネスト・ラザフォードは、一連の先駆的な散乱実験で、原子の内部構造と陽子の存在を発見し、放射能の種類を分類して説明し、窒素にアルファ粒子を衝突させることで最初の元素の変換に成功しました。

原子構造に関する彼の研究は、弟子であるデンマークの物理学者ニールス・ボーア、イギリス人のヘンリー・モーズレー、ドイツのオットー・ハーンによって改良され、彼らは後に新興の核化学の父となり、核分裂を発見した。化学結合と分子軌道の電子理論は、アメリカの科学者ライナス・ポーリングとギルバート・N・ルイスによって発展した。

2011年は国連によって国際化学年と宣言されました。^[73]これは国際純正・応用化学連合と国連教育科学文化機関の主導によるもので、世界中の化学協会、学者、研究機関が参加し、地域や地方の活動を組織するために個人の主導に依存していました。

化学の実践において、純粋化学は化学の基本原理を研究するものであり、応用化学はその知識を応用して技術を開発し、現実世界の問題を解決します。

化学は一般的にいくつかの主要な分野に分かれています。また、複数の分野にまたがる主要な化学分野や、より専門的な化学分野もいくつかあります。^[74]

• 分析化学は、物質サンプルを分析してその化学組成と構造を理解することです。分析化学は化学における標準化された実験方法を取り入れています。これらの方法は、純粋に理論的な化学を除く化学のすべての分野で使用できます。^[75]

• 生化学は、生物の分子レベルで起こる化学物質、化学反応、相互作用を研究する学問です。生化学は、医薬化学、神経化学、分子生物学、法医学、植物科学、遺伝学など、非常に学際的な分野です。^[77]
• 無機化学は、金属や鉱物などの無機化合物の性質と反応を研究する学問です。^{[78]有機化学と無機化学の区別は絶対的なものではなく、多くの重複があり、最も重要なのは}有機金属化学のサブ分野です。

• 材料化学は、現在または将来の有用な機能を備えた固体部品またはデバイスの作成、特性評価、および理解です。^[81]この分野は大学院プログラムにおける新しい研究分野であり、有機化学、無機化学、結晶学など、化学のあらゆる古典的な領域の要素を統合し、材料に特有の基本的な問題に焦点を当てています。主要な研究システムには、凝縮相（固体、液体、ポリマー）の化学と異なる相間の界面が含まれます。
• 神経化学は、伝達物質、ペプチド、タンパク質、脂質、糖、核酸などの神経化学物質、それらの相互作用、および神経系の形成、維持、および修正におけるそれらの役割を研究する分野です。
• 核化学は、原子核粒子がどのように集まって原子核を形成するかを研究する学問です。現代の核変換は核化学の大きな要素であり、核種表はこの分野にとって重要な成果とツールです。医療への応用に加えて、核化学は原子力発電源をエネルギー生成に使用するというテーマを研究する原子力工学も含んでいます。^{[82] [83]}

• 有機化学は、有機化合物の構造、性質、組成、メカニズム、反応を研究する学問です。有機化合物とは、炭素骨格に基づく化合物と定義されます。有機化合物は、化合物内で特徴的な化学的性質を示す官能基、単位原子、または分子によって分類、整理、反応を理解することができます。^[85]

• 物理化学は、化学システムおよびプロセスの物理的かつ基本的な基盤を研究する分野です。特に、そのようなシステムおよびプロセスのエネルギー論とダイナミクスは、物理化学者の関心の対象です。重要な研究分野には、化学熱力学、化学速度論、電気化学、統計力学、分光法、そして最近では天体化学があります。物理化学は分子物理学と大きく重複しています。物理化学では、方程式を導くために微分積分を使用します。通常、量子化学および理論化学と関連付けられます。物理化学は化学物理学とは異なる分野ですが、ここでも非常に大きな重複があります。
• 理論化学は、基礎的な理論的推論（通常は数学または物理学の範囲内）による化学の研究です。特に、量子力学の化学への応用は量子化学と呼ばれます。第二次世界大戦の終結以来、コンピュータの発達により、化学上の問題を解決するためのコンピュータプログラムを開発および適用する技術である計算化学が体系的に発展しました。理論化学は、（理論および実験の）凝縮物質物理学および分子物理学と大きな重複があります。

その他の分野としては、電気化学、フェムト化学、フレーバー化学、フロー化学、免疫組織化学、水素化化学、数理化学、分子力学、天然物化学、有機金属化学、石油化学、光化学、物理有機化学、高分子化学、放射化学、超音波化学、超分子化学、合成化学などがあります。

学際的な分野には、農芸化学、天体化学（および宇宙化学）、大気化学、化学工学、化学生物学、化学情報学、環境化学、地球化学、グリーンケミストリー、免疫化学、海洋化学、材料科学、機械化学、医薬化学、分子生物学、ナノテクノロジー、ワイン醸造学、薬理学、植物化学、固体化学、表面科学、熱化学などがあります。

化学産業は世界的に重要な経済活動である。 2013年の世界トップ50の化学製品メーカーの売上高は9,805億米ドル、利益率は10.3%であった。^[86]

人気の読書

• アトキンス、PWガリレオの指（オックスフォード大学出版局）ISBN 0-19-860941-8 
• アトキンス、PWアトキンスの分子（ケンブリッジ大学出版局）ISBN 0-521-82397-8 
• キーン、サム。消えたスプーン - 周期表に出てくる他の本当の話（ブラックスワン）ロンドン、イギリス、2010年ISBN 978-0-552-77750-6 
• レヴィ、プリモ 『周期表』（ペンギンブックス）[1975] イタリア語からレイモンド・ローゼンタール（1984）訳ISBN 978-0-14-139944-7 
• スチュワートカ、A.元素のガイド（オックスフォード大学出版局）ISBN 0-19-515027-9 
• 「思想史辞典」。2008年3月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。
• 「化学」 ブリタニカ百科事典第6巻（第11版）。1911年。33～76ページ。

大学入門教科書

• アトキンス、PW、オーバートン、T.、ルーク、J.、ウェラー、M.、アームストロング、F.シュライバーおよびアトキンス無機化学（第4版）2006年（オックスフォード大学出版局）ISBN 0-19-926463-5 
• チャン、レイモンド。化学第 6 版。ボストン、マサチューセッツ州: ジェームズ M. スミス、1998 年。ISBN 0-07-115221-0 
• クレイデン、ジョナサン、グリーブス、ニック、ウォーレン、スチュアート、ウォザーズ、ピーター(2001)。有機化学(第 1 版)。オックスフォード大学出版局。ISBN 978-0-19-850346-0。
• ヴォートとヴォート。生化学(Wiley) ISBN 0-471-58651-X 

上級学部レベルまたは大学院レベルの教科書

• アトキンス、PW物理化学（オックスフォード大学出版局）ISBN 0-19-879285-9 
• アトキンス、PW 他著分子量子力学（オックスフォード大学出版局）
• McWeeny, R. Coulson の Valence (Oxford Science Publications) ISBN 0-19-855144-4 
• ポーリング、L.化学結合の性質（コーネル大学出版）ISBN 0-8014-0333-2 
• Pauling, L.、Wilson, EB量子力学入門と化学への応用(Dover Publications) ISBN 0-486-64871-0 
• スマートとムーア著「固体化学入門」（チャップマン＆ホール）ISBN 0-412-40040-5 
• スティーブンソン、G.理科の学生のための数学的方法(ロングマン) ISBN 0-582-44416-0 

• 一般的な化学の原理、パターン、および応用。