Hóa học

"Hóa" chuyển hướng đến đây. Không nên nhầm lẫn nó với Hóa (họ).

Hóa chất đựng trong bình (bao gồm amoni hydroxit và axit nitric) phát sáng với những màu khác nhau.

Hóa học, một nhánh của khoa học tự nhiên, là ngành nghiên cứu về thành phần, cấu trúc, tính chất, và sự thay đổi của vật chất.^[1][2] Hóa học nói về các nguyên tố, hợp chất, nguyên tử, phân tử, và các phản ứng hóa học xảy ra giữa những thành phần đó.

Hóa học đôi khi được gọi là "khoa học trung tâm" vì nó là cầu nối các ngành khoa học tự nhiên khác như vật lý học, địa chất học và sinh học.

Vật chất

Trong hóa học, vật chất được định nghĩa là bất cứ vật gì có khối lượng tĩnh và thể tích (chiếm không gian nhất định) và được tạo thành từ các hạt. Các hạt tạo nên vật chất cũng có khối lượng tĩnh - nhưng không phải tất cả các hạt đều có khối lượng tĩnh, chẳng hạn như photon. Vật chất có thể là một chất hoá học tinh khiết hoặc một hỗn hợp các chất.

Nguyên tử

Mô hình hành tinh nguyên tử của Rutherford

Nguyên tử là đơn vị cơ bản của hóa học. Nó bao gồm một lõi rất đặc gọi là hạt nhân nguyên tử, bao quanh bởi một đám mây điện tử khổng lồ. Hạt nhân được tạo thành từ các proton tích điện dương và các neutron không tích điện (gọi chung là các nucleon). Trong khi đó, đám mây điện tử lại gồm các electron tích điện âm có quỹ đạo quanh hạt nhân. Trong một nguyên tử trung hòa về điện, điện tích âm của electron cân bằng với điện tích dương của proton. Hạt nhân rất đặc; khối lượng của một nucleon gấp 1836 lần so với electron, tuy nhiên bán kính của một nguyên tử lại gấp 10.000 lần hạt nhân của nó ^[11][12].

Nguyên tử cũng là thực thể nhỏ nhất được cho là giữ các tính chất hóa học của nguyên tố, như độ âm điện, khả năng ion hóa, trạng thái oxy hóa, số phối trí (coordination number), và các loại liên kết có thể hình thành (ví dụ liên kết kim loại, ion, cộng hoá trị).

Nguyên tố

Bảng tuần hoàn hóa học của nguyên tố hóa học. Màu khác nhau thể hiện các loại nguyên tố khác nhau

Một nguyên tố hóa học là một chất tinh khiết chỉ bao gồm một loại nguyên tử, đặc trưng bởi số proton cụ thể trong hạt nhân của các nguyên tử, được gọi là số hiệu nguyên tử và được thể hiện bằng ký hiệu Z. Nguyên tử khối là tổng của số proton và neutron trong một hạt nhân. Mặc dù tất cả các hạt nhân của tất cả các nguyên tử thuộc một nguyên tố sẽ có cùng một số hiệu nguyên tử, chúng có thể không nhất thiết phải có cùng nguyên tử khối; các nguyên tử của một nguyên tố có nguyên tử khối khác nhau được gọi là đồng vị. Ví dụ, tất cả các nguyên tử với 6 proton trong hạt nhân là các nguyên tử của nguyên tố carbon, nhưng nguyên tử carbon có thể có nguyên tử khối là 12 hoặc 13.^[12]

Phản ứng hóa học

Trong phản ứng hóa học, các liên kết giữa các nguyên tử được bẻ gãy và hình thành nên các chất khác nhau có các tính chất khác nhau. Trong một lò cao, oxide sắt, một hợp chất, phản ứng với carbon monoxit để hình thành sắt, một trong những nguyên tố hóa học, và carbon dioxit.

Khi một chất hóa học được biến đổi do sự tương tác của nó với một chất khác hoặc với năng lượng, ta có thể nói một phản ứng hóa học đã xảy ra. Phản ứng hóa học là một khái niệm liên quan đến "phản ứng" của một chất khi tiếp xúc gần với chất khác, cho dù là hỗn hợp hoặc dung dịch; hoặc tiếp xúc với một số dạng năng lượng, hoặc cả hai. Nó tạo ra một số trao đổi năng lượng giữa các thành phần của phản ứng cũng như với môi trường hệ thống, môi trường này có thể được là các hộp chứa được thiết kế đặc dụng - thường là dụng cụ thí nghiệm thủy tinh.

Các phản ứng hóa học có thể dẫn đến sự hình thành hoặc phân ly của các phân tử - tức là các phân tử sẽ bị phân tách thành hai hoặc nhiều phân tử nhỏ hơn; hoặc sắp xếp lại các nguyên tử trong hoặc ngoài các phân tử. Phản ứng hóa học thường liên quan đến việc tạo ra hoặc phá vỡ các liên kết hóa học. Các phản ứng thường gặp là oxy hóa-khử, phản ứng tách, trung hoà acid-base và tái sắp xếp nguyên tử.

Một phản ứng hóa học có thể được mô tả một cách biểu tượng bằng phương trình hóa học. Trong phản ứng hóa học phi-hạt-nhân, số lượng và loại nguyên tử ở cả hai phía của phương trình đều như nhau, đối với phản ứng hạt-nhân, điều này chỉ đúng đối với các hạt trong hạt nhân như proton và neutron.^[25]

Chuỗi các bước trong đó các liên kết hóa học được tổ chức lại xảy ra trong quá trình phản ứng hóa học được gọi là cơ chế phản ứng. Một phản ứng hóa học có thể được dự kiến ​​diễn ra theo một số bước, mỗi bước có thể có tốc độ khác nhau. Nhiều phản ứng trung gian với độ ổn định có thể do đó có thể được dự kiến ​​trong quá trình phản ứng. Các cơ chế phản ứng được đề xuất để giải thích động học và hỗn hợp sản phẩm tương đối của một phản ứng. Nhiều nhà hóa lý chuyên khám phá và đề xuất các cơ chế phản ứng hóa học khác nhau. Một số quy tắc thực nghiệm, giống như quy tắc Woodward-Hoffmann thường có ích trong khi đề xuất một cơ chế cho một phản ứng hóa học.

Theo sách IUPAC, một phản ứng hoá học là "một quá trình dẫn đến sự chuyển hóa lẫn nhau giữa các loại chất hoá học".^[26] Theo đó, một phản ứng hóa học có thể là một phản ứng cơ bản hoặc một phản ứng qua nhiều bước.

Ion và muối