היסטוריה של הכימיה

ההיסטוריה של הכימיה מתחילה לפני יותר מ-4,000 שנה במצרים העתיקה, שם החלו הניסיונות הראשונים בכימיה ניסויית (המכונה "כימיה רטובה", בניגוד לכימיה תאורטית).
בסביבות 1000 לפני הספירה החלו תרבויות שונות להשתמש בטכנולוגיות שלימים יהוו את הבסיס לענפי הכימיה המודרנית. הפקת מתכות מעפרות, קדרות וזכוכית, ייצור בירה ויין, ייצור פיגמנטים לשימושים קוסמטיים ולצביעה, צביעת בדים, עיבוד עורות, ייצור גבינה, מיצוי חומרים מצמחים למטרות רפואה ובשמים, יצירת מסגים ושימוש בשומן ליצירת סבון היו חלק מהתהליכים הכימיים הראשונים שנעשה בהם שימוש.
ניסיונות פילוסופיים לקביעת טבעו ומבנהו של החומר נכשלו, ואף ניסיונותיהם של האלכימאים לא צלחו, אך ניסויים אלה והתיעוד שהותירו אחריהם הכשירו את הדרך להתפתחות הכימיה המודרנית. נהוג לראות את סיום האלכימיה וניצניה של הכימיה המודרנית בעבודתו של רוברט בויל, The Sceptical Chymist ("הכימאי הסקפטי", בתרגום חופשי) שראתה אור בשנת 1661 בלונדון. עבודתו של אנטואן לבואזייה בנושא חוק שימור החומר, שדרשה מדידות ותצפיות מדויקות של תופעות כימיות, הפכה את הכימיה למדע מדויק. למעשה, גם הכימאים וגם האלכימאים עסקו בהרכב החומר, מבנהו והתגובות שהוא יוצר, אך ההבדל בהם טמון במטרותיהם ובעובדה שהכימאים עובדים לפי השיטה המדעית.
ההיסטוריה של הכימיה משתלבת גם עם ההיסטוריה של התרמודינמיקה, בעיקר דרך עבודתו של וילארד גיבס.
תחילתה של הכימיה המודרנית הייתה בקבלתה של התורה האטומית, ויצירת הטבלה המחזורית. עם התפתחות תורת הקוונטים נטשטשה החלוקה המסורתית הברורה בין פיזיקה לכימיה, ושתיהן חופפות בתחום של יצירה, אפיון ותכונות של חומרים ומולקולות, ואף חופפות לביולוגיה בחקר של נגיפים ותהליכים בתאים.

אבן החכמים ותחילתה של האלכימיה

מציאת שיטה בה יוכלו להפוך מתכות זולות לזהב, היוותה אבן שואבת עבור רבים, כיוון שהרווח הצפוי היה עצום. 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.

הישגי האלכימיה

הישגיה של האלכימיה רבים מספור: הכנת מאות חומרים חדשים כחומצה חנקתית וחומצה גופרתית ויצירת כלים ושיטות חדשות להפקת חומרים כדוגמת אמבט מרים ומתקני זיקוק. מעל כל אלה עומד הישגה המשמעותי ביותר של האלכימיה: יצירת בסיס למסגרת שיטתית לסיווג תופעות כימיות, וליצירת מאגר ידע ראשוני שאפשר את יצירת הכימיה של ימינו.

בעיות שעלו בתקופת האלכימיה

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 (נומנקלטורה). שנית, המונחים 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 המונחים המוגדרים בה השתמשו חלק מהאלכימאים שימשה יותר להסתרת הישגיהם והסוואת כשלונותיהם מאשר לדיווח מדעי. מהמאה הארבע עשרה לערך, תיעוד הניסיונות נעשה ברור יותר, כיוון שאלכימאים רבים החלו להטיל ספק בקיומה של אבן החכמים, ולכן נוצר צורך שאחרים יוכלו לחזור על הניסוי.

כימאים ראשונים

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 לשיחזור 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 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 וגופרית יצר, את מה שכינה "שמן של גופרית". למעשה היה זה דיאתיל אתר, חומר שאינו מכיל גופרית ואינו מכיל כספית כלל.
הניסיונות הראשונים להפקת מתכות מעפרות וניקוי המתכות שהתקבלו היוו מקור רחב היקף לכימאים, ביניהם גאורגיוס אגריקולה, שבודד את הביסמוט ופרסם את עבודתו הגדולה, "על המתכות" (De Re Metallica), בשנת 1556. גישתו למחקר הפיגה את המיסטיקה ויצרה בסיס מעשי המאפשר לאחרים להתקדם בניסויים אחרים. מחקרו הציג סוגים שונים של כבשנים להתכת עפרות ועורר עניין בנושא המינרלים והמחצבים. ספרו מסתמך רבות על ספרו של פליניוס הזקן, והקשר ביניהם מובהק.
בשנת 1605, פרנסיס בייקון פרסם את ספרו (The Proficience and Advancement of Learning) המכיל תיאור למה שיקרא לימים השיטה המדעית. המדען הצרפתי ז'אן בגן פרסם את ספרו Tyrocinium Chymicum, (בתרגום חופשי "כימיה למתחילים" או "מקראת יסוד בכימיה") ספר לימוד בסיסי בכימיה בו מופיעה המשוואה הכימית הראשונה.
סוף המאה השמונה עשרה ותחילת המאה התשע עשרה היו פרק זמן פורה לגילויים חשובים בכימיה:
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.
בשנת 1754, הצליח ג'וזף בלק לבודד את הפחמן הדו-חמצני, לו קרא "אוויר קבוע".קרל וילהלם שלה וג'וזף פריסטלי הצליחו, כל אחד בנפרד, לבודד את החמצן והבינו כי הוא קשור באופן ישיר לבעירה: שלה כינה אותו "אוויר אש". שמו הלועזי של החמצן ניתן לו על ידי לבואזיה.
ג'ון דלטון גילה את חוק המתכונות הקבועות בשנת 1803. החוק, הקובע כי יסודות (שיגיבו ביניהם) תמיד יגיבו ביחסים שלמים וקטנים על מנת ליצור תרכובות, הוביל לשינוי תפישתי ביחס להבנה של תגובות בין יסודות והתרכובות שהם נותנים.
בשנת 1800 בנה אלסנדרו וולטה את הסוללה הכימית הראשונה וייסד למעשה את ענף האלקטרוכימיה.
בשנת 1803 הציע דלטון את מודל דלטון המתאר את יחסי הגומלין בין גזים בתערובת והשפעתם על הלחץ הכללי בכלי.
הבנתם של חוקי דלטון קידמה את המחקר בגזים ואפשרה הבנה נרחבת יותר בשינוי מצבי צבירה, חוקי התרמודינמיקה והתנהגות הגזים.
בשנות העשרים והשלושים של המאה ה-19 קידם מייקל פאראדיי מהותית את האלקטרוכימיה. הוא טבע מושגים רבים, ניסח את חוק פאראדיי ואת משוואת פאראדיי המקשרת בין הכימיה לחשמל (בין מולים למטען או זרם). למעשה בשיתוף עם עבודתם של אלסנדרו וולטה ולואיג'י גלווני נוצרה האפשרות להשתמש בחשמל למחקר כימי איכותי וכמותי.

אנטואן לבואזייה

למרות ניסויים רבים שנערכו במזרח התיכון (בבבל, פרס ובמצרים העתיקה), שגשוגה של הכימיה המודרנית נבע רבות מעבודתו של מי שנחשב כ"אבי הכימיה המודרנית", אנטואן לבואזיה. לבואזיה, כימאי צרפתי בן המאה ה-18, ידוע בעיקר בשל עבודתו בנושאי הגזים, ניסוחו של חוק שימור המסה, החלפתה של תאוריית הפלוגיסטון (חומר הנמצא בכל החומרים והוא אחראי לבעירה), גילוי הרכב המים, ולניסוח המושג המהפכה הכימית. עוד הכניס לבואזיה שיטות עבודה המקפידות על ניקיון ויחסי הכמויות של המגיבים, שימוש בחומרים כימיים כדשנים ושיפור אבק השריפה.
לבואזיה היה אציל צרפתי, אשר מגיל צעיר עסק במדע ונבחר כבר בגיל 25 כחבר בהאקדמיה הצרפתית למדעים. בגיל 26 התקבל לעבודה כגובה מיסים. עבודתו זו, והשתייכותו לאליטה הצרפתית (שימש כמנהל בנק) גרמו לכך שהוצא להורג בעת המהפכה הצרפתית. בין השגיו הרבים נמצאים גם ספרו "יסודות הכימיה" (Traité Élémentaire de Chimie) המהווה מבוא לכימיה אנליטית ופעולותיו לקידום השיטה המטרית בצרפת. לבואזיה הוא גם אביה של תאוריית הקלוריק, שקבעה כי חום הוא מעין נוזל, תאוריה שהופרכה במאה ה 19.

דיונים באטומיזם לאחר לבואזיה

במהלך המאה התשע עשרה, עולם הכימיה נהה אחר שתי גישות: גישת המצדדים בתורה האטומית שמובילה היה ג'ון דלטון. וגישת המסרבים לקבלה, כדוגמת וילהלם אוסטוולד וארנסט מאך. למרות שמדענים כאמדאו אבוגדרו ולודביג בולצמן עשו התקדמות רבה בחקירת גזים, הוויכוח לא הוכרע למעשה עד לניסוייו של ז'אן פרין, שהוכיח את הסבריו של אלברט איינשטיין בנושא התנועה הבראונית בעשור הראשון של המאה העשרים.
זמן רב טרם יושבה המחלוקת, רבים סיפקו תאוריות והסברים שנשענו על התורה האטומית. סוונטה אוגוסט ארהניוס, לדוגמה, סיפק הסברים המבוססים על יונים וחזה רעיונות שלא פותחו במלואם עד למאה העשרים. מייקל פאראדיי, שהיה חלוץ בתחום האלקטרוכימיה החל לבסס את רעיון התורה האטומית, כשהבין את תהליכי העברת המטען ואת התנהגותן של מתכות במעבר זרם חשמלי. פאראדיי ודלטון היוו למעשה את ראשית הכימיה המבוססת על התורה האטומית, למרות שהמודלים המתארים את מבנה האטום היו רחוקים מאוד מהתובנות הקיימות כיום.

הגדרתה המודרנית של הכימיה

טרם המאה העשרים, הכימיה הוגדרה כמדע החוקר את טבעו של החומר ושינויי הצורה שלו. בכך היה ברור הגבול בין הכימיה לפיזיקה, כיוון שהאחרונה 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. (ראו בעיית אטום המימן).
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.

ביולוגיה מולקולרית וביוכימיה

עד למחציתה של המאה העשרים, הכימיה והפיזיקה החלו משתלבות יפה והסקות הנובעות ממכניקת הקוונטים החלו מסבירות תופעות כימיות. המחקרים המשלבים את מדעי החיים ואת הכימיה התקדמו בעיקר על סמך תצפיות וחוקים אמפירים. הביוכימיה החלה לתפוס תאוצה עם השיפור ביכולתם של הכימאים להסביר מבנים מולקולרים, קשרי מימן וזויות קשר.
בשנת 1953 ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק הציגו לראשונה את מודל הסליל הכפול של ה-DNA. מודל זה התבסס על ניתוח הרכבם הכימי של החומרים ועל עקיפה של קרני רנטגן שיצרה רוזלינד פרנקלין והועבר לשניים בלא ידיעתה (ראו גילוי מבנה ה-DNA)‏. גילוי זה הוביל לזינוק משמעותי במחקר הביוכימי מבחינת העוסקים בו והתקציבים שהוקצו לו.
באותה השנה ניסוי מילר-יורי הוכיח כי אבני הבניין של חלבונים, חומצות האמינו, יכולות להיווצר מחומרים פשוטים יותר, בתנאים ששררו על כדור הארץ הקדום. למרות ששאלות רבות לגבי מוצא החיים נותרו ללא מענה, היה זה הניסיון הראשון שנעשה על ידי כימאים בתנאים מבוקרים במעבדה לחקור את הנושא.
בשנת 1958 הוצג ניסוי מסלסון ושטאל המסביר את אופן הכפלת ה DNA. הניסוי נחשב לאבן דרך בביולוגיה ולאחד החשובים בהיסטוריה של הביולוגיה.
בשנת 1983 המציא קארי מוליס שיטה מעבדתית לשכפול (הגברה) של מקטעי DNA. השיטה, הידועה כ PCR, חוללה שינוי מהפכני בתהליך הכימי שנעשה בו שימוש להכפלת קטעי DNA. ה PCR אפשר לסנתז מקטעי DNA ואפשר גם את ריצוף ה DNA של אורגניזמים. מכאן נסללה הדרך למשימה הענקית של פרויקט גנום האדם.

התעשייה הכימית

בחציה השני של המאה התשע עשרה, דלקים מבוססי נפט החלו להחליף בהדרגה את שמן הלוויתנים והפחם. מהלך זה יצר קפיצה משמעותית בהתפתחות הכימיה, כשהוא מעשיר את הכימיה בכלים, שיטות ותוצרים חדשים: זיקוק הנפט הוביל ליצירת דלקים נוזליים כדוגמת בנזין וסולר, ויצירת מוצרים נוספים כגון אספלט, שעווה ועוד). אלה הובילו ליצירה של תוצרים חדשים: פלסטיק, צבעים, דטרגנטים, סיבים סינתטים, תרופות, אמוניה לדשנים ועוד מאות מוצרים.
התעשייה הכימית קידמה רבות את הכימיה, בעיקר עקב אילוצים כלכליים, שהובילו לשיטות חדשות ויצירתיות. בעוד שבמעבדה, עקב העבודה עם כמויות קטנות ניתן לבצע תגובות שונות, הרי שבקנה מידה גדול שיטות אלא אינן פרקטיות. לדוגמה, בתעשייה לא נהוג לקרר, עקב העלות הגבוהה. עם זאת, תהליכים בטמפרטורות העולות על 1000 מעלות הם שגרתיים.
במהלך המאה העשרים, מהלך דומה נוצר עם התפתחות האלקטרוניקה: נוצר צורך למצוא מוליכים טובים יותר, מוליכים למחצה ומבודדים. עם התפתחות הטרנזיסטור, נחקרה לעומק הכימיה של הסיליקון והגרמניום, והובנה לעומק הכימיה של המצב המוצק.