בימי הביניים פותחו תאוריות אלכימיות שהושפעו מתורות ארבעת היסודות, ובמיוחד מהגרסה של אריסטו. התאוריות האלכימיות השונות הניחו קיומם של מספר יסודות מצומצם שיכולים לעבור טרנספורמציות שונות. האלכימאים הבחינו שלחומרים שונים (אלכוהול למשל) יש השפעה על הפיזיולוגיה האנושית. בעקבות זאת הם הניחו שבחומרים השונים כמוסים כוחות נסתרים, לרבות כוחות מאגיים, ושמו להם למטרה לגלות כוחות אלו. האלכימאים הצליחו לתאר בשיטתיות ובדיוק יחסי מגוון רחב של תגובות כימיות.
העת החדשה.
התאוריות האלכימיות הוחלפו במהלך המאה ה-17 בתאוריית הפלוגיסטון. פלוגיסטון היה השם שהוענק לחומר היפותטי חסר צבע, טעם וריח שלפי התאוריה נמצא בכל גוף בר בעירה ומשתחרר במהלכה. התאוריה נהגתה על ידי יוהאן יואכים בכר על מנת להסביר את תופעת הבעירה, ובמשך מאתיים שנים היא הייתה התאוריה הדומיננטית בכימיה. לפי התאוריה, כל גוף בר בעירה מכיל את הפלוגיסטון אשר בתנאים מסוימים הופך לאש. כלומר, כל חומר בר בעירה מכיל בתוכו את האש, אולם במעין מצב צבירה שהוא כלוא בו, ואילו הבעירה היא מעבר האש למצב חופשי.
אף על פי שהצליחה לאחד תופעות כימיות רבות, להסבירן ולספק ניבויים איכותיים וכמותיים, תאוריית הפלוגיסטון הוחלפה בסופו של דבר על ידי תאוריית החמצן של אנטואן לבואזיה. נהוג לייחס את החלפתה של תיאורית הפלוגיסטון לכישלונה להסביר תהליכי בעירה שלאחריהם משקלו של החומר שבער גדל, ולא קטן, כמצופה, כתוצאה מאיבוד פלוגיסטון. לבואזיה טען שהבעירה אינה אלא התרכבות של החומר הבוער עם החמצן שבאוויר. הוא הראה כי בעת תהליכים כימיים חומר לא אובד ולא נוצר יש מאין. משקל התוצרים בתהליך שווה למשקל המגיבים (החומרים המקוריים). לבואזיה דחה את זיהוי היסודות עם חלקיקים יסודיים, וכן סבר שחום הוא יסוד כימי שאותו כינה 'קלוריק'. השקפות אלה הוחלפו מאוחר יותר עם התפתחות הכימיה.
התורה האטומית.
במאה ה-19 החלה להתפתח התורה האטומית, לפיה כל חומר בנוי מחלקיקים יסודיים המכונים אטומים, המחולקים לסוגים שונים. על-פי תורה זו, יש להבדיל בין שלושה סוגים של חומרים:
את היסוד לתורה הזו הניח האנגלי ג'ון דלטון. שני אנשי מדע נוספים שתרמו תרומה מכרעת להתפתחות הכימיה במאה ה-19 היו השוודי ברצליוס והרוסי מנדלייב. ברצליוס זיהה יסודות כימיים אחדים ופיתח תאוריה להסברת הקשר הכימי שלפיה הכוחות מצמידים את האטומים במולקולות זה לזה. הוא הניח את היסוד לכימיה האנליטית, והחל למדוד את המסות האטומיות של היסודות, כלומר, לקבוע על פי כמה כבד האטום שבכל יסוד מאטום המימן, שהוא הקל ביסודות. מנדלייב מיין את כל היסודות שהיו ידועים בזמנו לפי מסה אטומית עולה ומצא מחזוריות בתכונות האטומיות שלהם. הוא כתב את הטבלה המחזורית של היסודות וניבא בעזרתה בהצלחה את קיומם ותכונותיהם של כמה יסודות שלא היו ידועים עד אז.
ב אף נתגלה כי אטומים בתמיסה מצויים בצורת יונים בחלק מהמקרים, וניתן לעשות שימוש בזרם חשמלי כדי להפריד תרכובות ליסודותיהן - שיטה הנקראת אלקטרוליזה. לאחר פיתוח שיטת הספקטרוסקופיה זוהו כמה יסודות חשובים. נמצא כי כמה תרכובות אורגניות מורכבות מאותם יסודות, והחלה להתפתח הכימיה האורגנית.
לימודי כימיה כיום.
כימיה היא חלק אינטגרלי בחומר הלימוד המדעי בבית ספר תיכון ובשלבים הראשונים של לימודי האוניברסיטה. ברמות אלה, היא נקראת בדרך כלל "כימיה כללית" והיא מהווה הצגה של מגוון רחב של תפיסות יסודיות המאפשרות ללומדים לרכוש כלים וכישורים שימושיים ברמות מתקדמות יותר, שבהן נלמדים תחומי המשנה של הכימיה בצורה מעמיקה יותר. מדען המעורב במחקר כימי נקרא כימאי. רוב הכימאים מתמחים בתחום משנה אחד או במספר תחומי משנה.
עקרונות ומושגי יסוד.
חומר.
אטום.
אטום הוא היחידה הבסיסית של יסוד כימי. האטום הוא אוסף של חלקיקי חומר המורכב מליבה טעונה במטען חשמלי חיובי (גרעין האטום) המכילה פרוטונים ונייטרונים, שאותה מקיפים אלקטרונים הנושאים מטען חשמלי שלילי ומאזנים את המטען החיובי שבגרעין. אטום הוא החלק הקטן ביותר של החומר ששומר על התכונות הכימיות של היסוד כגון אלקטרושליליות, אנרגיית יינון, מצב חמצון מועדף, מספר קואורדינציה, סוג הקשרים שהוא נוטה ליצור כגון קשר מתכתי, קשר יוני וקשר קוולנטי.
יסוד כימי.
יסוד כימי מוגדר על ידי מספר ייחודי של פרוטונים הנמצאים בגרעין האטום שלו. מספר זה ידוע כמספרו האטומי של היסוד. לדוגמה, כל האטומים המכילים 6 פרוטונים בגרעין הם אטומים של היסוד פחמן, וכל האטומים המכילים 92 פרוטונים בגרעין שלהם הם אטומים של היסוד אורניום. אולם, קיימים גם איזוטופים של יסוד הנבדלים זה מזה במספר הנייטרונים בגרעין.
התיאור הנוח ביותר של יסוד כימי מוצג בטבלה המחזורית המאגדת את היסודות לפי מספרם האטומי. הודות למבנה הייחודי שלה הטורים (מכונים גם קבוצות/משפחות) והשורות (מכונות גם מחזורים) של היסודות השונים חולקים מספר תכונות כימיות משותפות, והן מסודרות לפי רצף תכונות כגון רדיוס אטומי, אלקטרושליליות וכדומה. ישנן רשימות של יסודות לפי שם, סימול ומספר אטומי.
תרכובת.
תרכובת היא חומר בעל יחס ייחודי של אטומי יסודות כימיים הקובעים את הרכבו, והיא בעלת צורה ייחודית הקובעת את תכונותיה הכימיות. לדוגמה, מים הם תרכובת המכילה מימן וחמצן ביחס של 1:2, כאשר אטום החמצן נמצא בין שני אטומי המימן, ויש ביניהם זווית קשר של 104.5°. תרכובות נוצרות ומתפרקות בתגובות כימיות.
מולקולה.
מולקולה היא החלק הקטן ביותר (מלבד אטום) של כימיקל טהור השומר על תכונותיו הכימיות, כלומר, היכולת לעבור סדרת תגובות כימיות מוגדרת עם כימיקלים אחרים. מולקולות יכולות להיות נייטרליות מבחינה חשמלית בניגוד ליונים. המולקולות הן בדרך כלל קבוצה של אטומים הקשורים בקשר קוולנטי, כך שהמבנה הכולל נותר נייטרלי מבחינה חשמלית, וכל אלקטרוני הקשר מזווגים עם אלקטרונים אחרים בקשר כימי או נמצאים במולקולה כאלקטרונים בלתי קושרים.
אחת מהתכונות העיקריות של מולקולה היא הגאומטריה שלה המכונה לעיתים גאומטריה מולקולרית. בעוד שהמבנה של מולקולות דו-אטומיות, תלת-אטומיות וארבע-אטומיות עשוי להיות טריוויאלי (קווי, זוויתי או פירמידה), המבנה של מולקולות רב-אטומיות, שהן מולקולות המורכבות מ-6 אטומים ומעלה (או מספר יסודות שונים), עשוי להשפיע במידה רבה על מאפייניה הכימיים.
כימיקל ותערובת.
כימיקל הוא סוג של חומר בעל הרכב מוגדר וסדרה של תכונות כימיות. במובן הישיר, תערובת של תרכובות ויסודות איננה חומר כימיקלי, אולם ניתן לקרוא לה כימיקל. רוב הכימיקלים שאנו נתקלים בהם בחיי היום יום הם סוג מסוים של תערובת, כגון אוויר, סגסוגות, ביומסה וכדומה.
מערכת מתן השמות לכימיקלים היא חלק חשוב ביותר בשפה הכימית. בשלב מוקדם יותר בהיסטוריה של הכימיה מגלי החומרים הם אלה שנתנו להם את שמם, דבר שגרם בחלק מהמקרים לבלבול ולקשיים. אולם, כיום מערכת IUPAC של הנומנקלטורה הכימית מאפשרת לכימאים לאפיין לפי שם תרכובת ייחודית מתוך מגוון כמעט אינסופי של תרכובות אפשריות.
ישנן מערכות מוגדרות היטב למתן שמות לתרכובות כימיות. תרכובות אורגניות נקראות לפי מערכת הנומנקלטורה האורגנית. תרכובות אי-אורגניות נקראות לפי הנומנקלטורה האי-אורגנית. בנוסף, שירות התקצירים בכימיה פיתח שיטה לקטלוג של כימיקלים, ולפיה כל כימיקל מזוהה לפי מספר נומרי הידוע כמספר CAS.
מול וכמות החומר.
מול הוא כמות חומר המכילה את אותו מספר של ישויות כימיות (אטומים, מולקולות או יונים) כמו ב-12 גרם של פחמן-12, כאשר אטומי הפחמן אינם קשורים, נמצאים במנוחה ובמצב היסוד שלהם. מספר זה ידוע כמספר אבוגדרו, והוא נקבע באופן ניסויי. הערך המקובל כיום (2007) הוא בערך 6.02X1023 יחידות חומר למול. מספר זה הוא חסר יחידות, ולפיכך הוא יכול לתאר כל סוג של אובייקט יסודי, על אף שהשימוש במושג המול מוגבל בדרך כלל למבנים תת-אטומיים, אטומיים ומולקולריים.
מספר המולים של חומר בליטר אחד של תמיסה ידוע כמולריות. מולריות היא היחידה הנפוצה לבטא ריכוז כימי של תמיסה בכימיה פיזיקלית.
קשר כימי.
קשר כימי הוא מושג המסייע להבין כיצד אטומים מחוברים זה לזה במולקולות. ניתן לדמות אותו לשיווי משקל רב-קוטבי בין המטענים החיוביים שבגרעין ובין המטענים השליליים המקיפים אותו. מעבר לכוחות משיכה ודחייה, מגדירות האנרגיות ומיקום האלקטרון את יכולתו של האטום להיקשר לאטום אחר. הפוטנציאלים הללו יוצרים את האינטראקציות המחזיקות את האטומים במולקולות ובגבישים. בתרכובות פשוטות רבות ניתן לעשות שימוש בתאוריות המסבירות את אופי הקשר הכימי על מנת לנבא את מבנן המולקולרי והרכבן. באופן דומה, ניתן ליישם תאוריות פיזיקליות על מנת לנבא מבנים יוניים רבים. בתרכובות מורכבות יותר, כגון סריגים מתכתיים, התאוריות הקלאסיות (כגון תאוריית הקשר הקוולנטי) נכשלות, ויש צורך להשתמש בגישות אחרות המבוססות בעיקר על עקרונות של הכימיה הקוונטית, כגון אורביטלים מולקולריים.
תגובה כימית.
תגובה כימית היא שינוי של כימיקל באמצעות אינטראקציה עם כימיקל אחר, או כתוצאה מאינטראקציה עם אנרגיה. תגובה כימית יכולה להתרחש באופן טבעי או להתבצע במעבדה על ידי כימאים בכלים מיוחדים. התגובה יכולה להסתיים ביצירה, פירוק או ארגון מחדש של המולקולות. תגובות כימיות כוללות בדרך כלל יצירה או שבירה של קשרים כימיים. דוגמאות לתגובות כימיות נפוצות הן חמצון, חיזור, דיסוציאציה וסתירה.