היסטוריה של הכימיה

היסטוריה של הכימיה היא העיסוק בהתפתחות הטכנולוגית והתפיסתית של האנושות בתחומי הכימיה. תחילתה 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.

שימושים באש וקרמיקה
בין התגובות הכימיות הראשונות ששירתו את האנושות ונעשה בה שימוש רב הייתה בעירה. האש, בהיעדר הסבר מדעי, הייתה במשך אלפי שנים כוח מיסטי בלתי-מוסבר היכול לשנות חומר לחומר אחר (שריפת עץ, הרתחת מים, קדרות) תוך פליטת חום ואור. לאש הייתה השפעה רבה על האנושות בהיבטים רבים: החל מהיבטים פשוטים, של תאורה ובישול, עבור בברוא יערות ועד לטכנולוגיות מתקדמות, כגון קדרות, יצירת לבנים והתכת מתכות ליצירת כלים.
ממוזער|150px|טקסט=ונוס מדולני וייסטוניצה|ונוס מדולני וייסטוניצה, כלי החרס הקדום ביותר הידוע, מהאלף ה-24 לפני הספירה
הפקת כלי חרס - קדרות קיימת במשך עשרות אלפי שנים. האתר דולני וייסטוניצה במוראביה שבצ'כיה מהתקופה הפלאוליתית העליונה ותוארכה באמצעות תיארוך פחמן-14 ל-26,000 שנה לפני זמננו. באתר התגלו  ונוס מדולני וייסטוניצה - פסלון קרמיקה של צלמית ונוס, כ-2,300 פסלוני חרס של בעלי חיים, וכבשן לשריפת קרמיקה (הקדום ביותר בעולם).  

בסין נמצאו כלי חימר שתוארכו ל-18,000 שנה לפני הספירה. בתקופה זו, במזרח אסיה שרר מזג אוויר קר מאד, למשך תקופה ארוכה. כדי לשרוד, האנשים באזור היו חייבים לנצל את מזונם בצורה מקסימלית, והם עשו זאת באמצעות בישול המזון העמילני והבשר בתוך כלי החימר. הידע והמיומנות עברו ליפן ולאזורים באגן הנהר אמור, ברוסיה. הממצאים שם תוארכו ל-14,000 לפני הספירה.

מטלורגיה

לאחר שבעזרת האש התגלתה הזכוכית, השימוש הבא באש היה להפרדת עפרות ועיצוב מתכות. תרבויות שונות החלו לעבד מתכת בתקופות שונות.
שמאל|ממוזער|300px|כלי נחושת בני 6000 שנה ממטמון נחל משמר

ב הופיעה חרושת של נחושת, לצד כלי אבן מסותתים שהמשיכו להתקיים מהתקופות הקודמות. לפי מחקרים, הפקת נחושת במצבה המינרלי וכריית נחושת החלה כבר לפני יותר מ-12 אלף שנים, באלף העשירי לפני הספירה באזור צפון הפרת והחידקל ומעט מאוחר יותר באזור מזרח הים התיכון – באזורים בין ישראל לבין דרום טורקיה. עד שנת 6000 לפני הספירה התפשטה כריית הנחושת מזרחה עד לאזור שבו שוכנת איראן וצפון מערבה לכיוון בו שוכנות סרביה ורומניה.

בסביבות שנת 5000 לפנה"ס (בתחילת תקופת הנחושת) פיתחו בני אדם באזור טורקיה או סוריה, שיטות לצרוף את הנחושת מעפרותיה, וכך התאפשר שימוש נרחב יותר בנחושת על ידי כרייה של נחושת מהאדמה במקומות בהם הנחושת מעורבת בחומרים אחרים. הנחושת הותכה בכור ושימשה ליציקה בתבניות. התכה ויציקה של נחושת התפשטו בהדרגה. עד שנת 4000 לפני הספירה הדבר התקיים במזרח התיכון ובאירופה סביב אגן הים התיכון. עד 3000 לפני הספירה הגיעה טכנולוגיה זו לצפון הודו וצפון אירופה. עד 2000 לפני הספירה התפשטה הטכנולוגיה גם לספרד, בריטניה וסין. השומרים השתמשו בנחושת והכינו ממנה חפצים לפני כ-5,000 שנה. גם המצרים הכינו באותה תקופה חפצים מנחושת. באחת הפירמידות נמצאה צנרת מנחושת בת כ-5,000 שנים.

תקופת הברונזה היא תקופה בתולדות הציוויליזציה האנושית שבה היכולת הטכנולוגית המתקדמת ביותר אפשרה ייצור כלים העשויים מארד (ברונזה) – סגסוגת מתכת המתקבלת מעירוב של נחושת עם בדיל. תקופת הברונזה היא השנייה מבין מערכת שלוש התקופות, לאחר תקופת האבן.  תקופת הברונזה במזרח התיכון החלה בשנת 3300 לפנה"ס בערך, עם העלייה בשימוש בברונזה לייצור כלים ותופעת העיור בשני המרכזים העיקריים של העולם העתיק – מצרים ומסופוטמיה. אזורים אלה היו הראשונים להשתמש בכלים עשויים ברונזה, ואחריהם החלו לעשות כן גם בלבנט, באנטוליה וברמה הפרסית. בתקופת הברונזה בים האגאי שגשגה נוסדה תשתית מסחר רחבה, שנועדה לייבא בדיל ופחם לקפריסין, שם היו מתיכים נחושת עם הבדיל על מנת לייצר ברונזה. כלי ברונזה שיוצרו בקפריסין יוצאו לכל מדינות הים התיכון. התרבות ששלטה וארגנה את המסחר בים האגאי הייתה התרבות המינואית. תקופת הברונזה בבריטניה הגדולה נמשכה בין 2200 לפנה"ס ל-700 לפנה"ס.

תקופת הברזל היא תקופה בתולדות האנושות שבה היכולת הטכנולוגית אפשרה לפתח כלים ואמצעים המבוססים על מתכת הברזל. עמידות הברזל, טמפרטורת ההתכה הגבוהה שלו ושכיחותן של עפרות ברזל הפכה את השימוש בברזל לנפוץ וזול יותר מאשר אפשרויות המסתמכות על ברונזה. 

המתכת היקרה ביותר הייתה הזהב, שהייתה ידועה במצרים העתיקה משנת 2600 לפני הספירה לערך. יוקרו של הזהב, שהיה שימושי באותה תקופה רק לצורך תכשיטים, הוביל ליצירת האלכימיה והיה מאחד הגורמים החשובים ליצירת עולם הכימיה. הניסיונות המוקדמים במטלורגיה הובילו ליצירת מסגים ולתקופת הברונזה. קידום הכימיה בתחום זה הגיע עקב המלחמות באירופה ואסיה: סגסוגות חדשות הובילו ליצירת שריון וכלי נשק חזקים יותר. לעיתים, אלו הכריעו את הקרב.

תאוריות ראשונות

שמאל|ממוזער|250px|ארבעת היסודות והיחסים ביניהם

פילוסופים מהאסכולה המילטית, היא האסכולה הפילוסופית המוקדמת ביותר, שהתקיימה בסביבות המאה ה-6 לפני הספירה הניחו את הבסיס הראשון למדע היווני בכך שהוציאו מהתאולוגיה והמיתוס את המקריות ואת התערבותם של כוחות על-טבעיים.

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, ומאוחר יותר תאוריות כי קיים חומר אחד המשנה צורה כדוגמת "הכל אתר", "הכל מים" או, בשלב מאוחר יותר, תאוריית הפלוגיסטון. 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.

שתי גישות עיקריות לתיאור החומר התקיימו מימי קדם: אטומיזם, גישה הגורסת כי החומר בנוי מחלקיקים. גישה זו התפתחה לתורה האטומית והוכחה במאה העשרים כנכונה. הגישה השנייה גרסה כי החומר הוא רצף.
גישת האטומיזם הופיעה בשני מקומות במקביל: ביוון העתיקה הופיעה האסכולה האטומיסטית כחלק מהזרמים בפילוסופיה הקדם-סוקרטית, ובהודו העתיקה. האטומיזם ביוון העתיקה התפתח בשנת 440 לפנה"ס לערך.
רעיונות אלו מתאר המשורר הרומאי לוקרטיוס בספרו "על טבע היקום" מהם ניתן להסיק כי כבר פילוסופים כדמוקריטוס ופרמנידס עסקו בגישת האטומיזם וטענו כי החומר בנוי מחלקיקים שלא ניתן לחלקם. במקביל, באותה תקופה עסקו פילוסופים הודים במחשבה דומה. גם הפילוסופים היוונים וגם ההודים סבלו מהעדר הוכחות המבוססות על ניסויים ומשכך היה קל לסתור את טענותיהם. אריסטו טען כנגד התאוריה האטומיסטית.
פליניוס הזקן, בספרו רב הכרכים תולדות הטבע, מציג תיאורים ופיתוחים של התאוריה ותיאורים של מינרלים רבים.

אלכימיה

אבן החכמים ותחילתה של האלכימיה
שמאל|ממוזער|200px|רנאל האלכימאי, ציור של ויליאם דאגלאס
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 אפשר חזרה על ניסויים, מאבני היסוד של השיטה המדעית. השפה העמומה חסרת המונחים המוגדרים בה השתמשו חלק מהאלכימאים שימשה יותר להסתרת הישגיהם והסוואת כישלונותיהם 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.

מאלכימיה לכימיה
כימאים ראשונים
ממוזער|שמאל|ג'אבר בן חיאן, כימאי ואלכימאי מוסלמי שעבודתו הניחה בסיס לשיטה המדעית.
בעולם הערבי, בעיקר בבצרה ובבגדאד, 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 להיעלם. 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.

ממוזער|150px|שמאל|אגריקולה, מגלה הביסמוט ומחבר "על המתכות"
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. בשנת 1610 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.

המהפכה הכימית

שמאל|ממוזער|250px|טבלת האפיניות של ז'אופרוי , 1718: בראש כל טור צורון כימי עמו יכולים להתרכב כל הצורונים שמתחתיו. חלק מההיסטוריונים הגדירו טבלה זו כתחילתה של המהפכה הכימית.
המהפכה הכימית, המכונה גם המהפכה הכימית הראשונה, מתייחסת בדרך כלל לתקופה של התקדמות משמעותית בכימיה במהלך המאות ה-17 וה-18. המהפכה כוללת פיתוח של מושגים כימיים בסיסיים, כגון הבנת יסודות, תרכובות ותגובות כימיות. דמויות מפתח בתקופה זו כוללות את רוברט בויל, אנטואן לבואזיה וג'וזף פריסטלי. 

בתקופה זו נוסחה הכימיה מחדש על בסיס חוק שימור החומר ותאוריית הבעירה של החמצן.  מהפכה זו התבססה בעיקר על עבודתו של הכימאי הצרפתי אנטואן לבואזיה (ידוע כ"אבי הכימיה המודרנית"). אם כי חוקרים מאוחרים יותר מתארים תהליך הדרגתי יותר שבו תרמו מדענים נוספים לפיתוח השינוי היסודי בהבנת הכימיה.  נקודת ציון חשובה במהפכה הייתה בסוף המאה ה-18 שבה כימאים אימצו את תאוריית החמצן של לבואזיה וזנחו הסברים של תופעות שונות שהיו מבוססים על רעיון הפלוגיסטון.

ב-20 בפברואר 1773 כתב לבואזיה: "חשיבות הקץ אותו אנו רואים הביאה אותי לקחת על עצמי את כל העבודה הזו, שנראה כי נועדה להביא מהפכה ב...כימיה. נותר לבצע סדרת ניסויים כבירה." כאשר כתב מילים אלה במחברת המעבדה שלו, עמד לשנות לעד את הפרקטיקה והרעיונות של הכימיה.

כמה גורמים הביאו למהפכה זו, ביניהם ביסוס הטענה כי אוויר אינו יסוד, אלא מורכב משבעה יסודות שונים במצב גז. כימאים כמו הנרי קוונדיש וג'וזף פריסטלי ביצעו ניסויים רבי חשיבות לאישוש עובדות אלה. לבואזיה גם תרגם את עולם המושגים הארכאי והטכני של הכימיה לשפה מובנת יותר להמונים הלא-משכילים. הדבר הביא לעניין ציבורי בלימוד ועיסוק בכימיה. כאשר תיאר את המשימה של חידוש הנומנקלטורה הכימית, ציין לבואזיה: "עלינו לבצע טיהור מוחלט, כי הם עשו שימוש בשפה אניגמטית, ייחודית להם עצמם, המציגה משמעות אחת ליודעי-דבר, ואחרת להמונים, ובאותה עת אינה מכילה דבר ניתן להבנה הגיונית על ידי אלה או אלה."

רוברט בוייל
ממוזער|שמאל|רוברט בוייל, מהכימאים הראשונים שהנהיגו עבודה מסודרת ומתועדת.
רוברט בויל היה כימאי ופיזקאי אירי, ונחשב 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 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.

אנטואן לבואזייה
שמאל|ממוזער|150px|אבי הכימיה המודרנית, אנטואן לבואזיה

למרות ניסויים רבים שנערכו במזרח התיכון, שגשוגה של הכימיה המודרנית נבע רבות מעבודתו של מי שנחשב כ"אבי הכימיה המודרנית", אנטואן לבואזיה. לבואזיה, אציל וכימאי צרפתי בן המאה ה-18, ידוע בעיקר בשל עבודתו בנושאי הגזים, ניסוחו של חוק שימור החומר, 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. בשל עבודתו כגובה מיסים לטובת מלך צרפת הוא הוצא להורג בעת המהפכה הצרפתית.

לבואזיה נחשב לחלוץ הסטויכיומטריה. הוא התעקש לבצע ניסויים מדויקים הנוגעים למשקל המגיבים, ניסוייו היו מהימנים יותר מאלה של קודמיו. הוא הראה שאף 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 השרפה היה גדול יותר ממשקל המגיבים המקורי. הוא הסיק בצורה נכונה כי שהמשקל העודף לאחר השרפה בא מן האוויר שמשקלו ירד, והראה שהמשקל הכולל של החומרים לפני תגובה כימית ולאחריה נותר קבוע. ניסויים אלה היוו את העדות לחוק שימור החומר. הוא כתב "ואפשר להניח כאקסיומה שבכל פעולה שווה כמות החומר הקיימת לפני הפעולה לזו שאחריה"

ב-1789 לבואזיה פרסם את ספרו החשוב יסודות הכימיה - "Traite Elementaire de Chimie" דבר שנחשב שלב חשוב נוסף במהפכה הכימית. בפרסום זה, ובאלה שבאו אחריו, תיאר לבואזיה את הרכב האוויר והמים, וטבע את המונח "oxygen" (חמצן). הוא הסביר גם את תיאורית הבעירה, ונפטר מתיאורית הפלוגיסטון, אותה החליף ברעיון הקלוריק. "יסודות" שילב כמה רעיונות של "הכימיה החדשה", ותיאר את הניסויים וההגיון שהובילו את לבואזיה למסקנותיו. ניתן לומר כי "יסודות הכימיה" עשה לכימיה, מה ש"עקרונות מתמטיים של פילוסופיית הטבע", ספרו של ניוטון עשה לפיזיקה. 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.

ב 1794 גילה הכימאי הצרפתי ז'וזף לואי פרוסט את חוק ההרכב המוגדר שקבע שתרכובות כימיות תמיד מתחברות בפרופורציות קבועות.

ג'ון דלטון
שמאל|150px|ממוזער|פסל חזה של ג'ון דלטון.
בשנת 1802 הציע הכימאי האנגלי ג'ון דלטון את מודל דלטון המתאר את יחסי הגומלין בין גזים בתערובת והשפעתם על הלחץ הכללי בכלי. החוק קובע כי לחץ של תערובת גזים אידיאליים שווה לסכום הלחצים החלקיים של כל רכיבי התערובת בנפרד. הבנתם של חוקי דלטון קידמה את המחקר בגזים ואפשרה הבנה נרחבת יותר בשינוי מצבי צבירה, חוקי התרמודינמיקה והתנהגות הגזים.

בשנת 1803 גילה דלטון חוק המתכונות הקבועות. החוק קובע כי יסודות (שיגיבו ביניהם) תמיד יגיבו ביחסים שלמים וקטנים על מנת ליצור תרכובות. החוק הוביל לשינוי תפישתי ביחס להבנה של תגובות בין יסודות והתרכובות שהם נותנים.

אלקטרוכימיה
בשנת 1800 בנה אלסנדרו וולטה את הסוללה הכימית הראשונה וייסד למעשה את ענף האלקטרוכימיה.

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.

ויטליזם ולידת הכימיה האורגנית

ממוזער|טקסט=פרידריך ולר|פרידריך ולר
לאחר שהופרכה תאוריית הפלוגיסטון והוסברה הבעירה, נסובו הוויכוחים סביב נושא הויטליזם: האם ניתן להסביר את החיים לפי חוקי הכימיה או שמא יש כוח נסתר. תחילת המענה לשאלה זו ניתן זו בשנת 1828 בעזרת הצלחתו המקרית של פרידריך ולר, המכונה "אבי הכימיה האורגנית". ולר ניסה להפיק ציאניד  אך הצליח בטעות ליצור במעבדתו שתנן שהוא תרכובת אורגנית. הדבר הדגים כי ניתן ליצור חומרים אורגנים מיסודות ומחומרים אי אורגניים, תגובות שלא נעשו עד אז. הצלחה זו פתחה תחום חדש בכימיה, ועד סיום המאה התשע עשרה הצליחו כימאים ברחבי העולם לסנתז מאות תרכובות אורגניות שכללו צבענים ותרופות, כדוגמת אספירין שהופק מחומצה סליצילית.

דיונים באטומיזם במהלך המאה ה-19
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 ה-20. 

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.

ינס יאקוב ברצליוס
ממוזער|טקסט=ינס יעקב ברצליוס|ינס יאקוב ברצליוס
הכימאי השוודי ינס יאקוב ברצליוס נחשב גם הוא לאחד מאבות הכימיה. הוא המציא את הכתיב הכימי שבה קיבלו היסודות תגיות כתובות פשוטות כדוגמת O לחמצן או Fe לברזל – יחד עם היחסים ביניהם בתרכובת באמצעות מספרים. שיטה זו היא השיטה הבסיסית שבשימוש עד ימינו.  הוא גם בודד יסודות רבים (כולל סלניום, תוריום וצריום). תלמידים שעבדו במעבדתו גילו את הליתיום, הונדיום והלנתן. הוא גם טבע מספר מושגים ותופעות כמו איזומר (1828) וגילוי תופעת הקטליזה, שבה חומר (המכונה זרז) מסוגל להאיץ מהלכן של תגובות כימיות, כאשר הזרז עצמו משתתף בתגובה אך אינו מתכלה במהלכה, ב-1835.

ברצליוס גילה את חוק היחסים הקבועים, שהראה כי חומרים אנאורגניים מורכבים מיסודות שונים ביחס קבוע למשקל החומר. בהתבסס על חוק זה הכין ברצליוס ב-1828 טבלת משקלות יחסיים של האטומים, שבה הוקצב לחמצן המשקל 100, ושכללה את כל היסודות הידועים בתקופה זו. עבודה זו סיפקה הוכחה להשערה האטומית, שלפיה כל התרכובות הכימיות האנאורגניות בנויות מאטומים המצורפים יחד בכמויות של מספרים שלמים. ברצליוס גילה שמשקלם האטומי של יסודות שונים אינו כפולה של משקל המימן, ובכך הפריך את השערת פרואוט (על שם הכימאי האנגלי ויליאם פרואוט (Prout) שכל היסודות בנויים מאטומים של מימן.

הטבלה המחזורית
שמאל|ממוזער|150px|דמיטרי מנדלייב, מפתח הטבלה המחזורית

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 ארגנו 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, חזה 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.

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).

התקדמויות שונות בפיזיקה במהלך המאה ה-19 סייעו להבין את הכימיה כמדע המבוסס על חוקים מתחום הפיזיקה. באמצע המאה ה-19 פיזיקים החלו לחקור את חוקי התרמודינמיקה. ההתרמודינמיקה סיפקה מסגרת תאורטית להבנת מעברי אנרגיה בתגובות כימיות והקשרים בין חום, עבודה ותכונות החומר ולכך היו לכך השלכות עמוקות על הבנת תהליכים כימיים. 

התפתחות תאוריות שונות להסברת הקשר הכימי הולכות יד ביד עם צבירת ידע על מבנה האטום. לאחר גילוי מבנה האטום (תחילה ב 1904 על ידי ג'יי ג'יי תומסון) ובהמשך על ידי ארנסט רתרפורד (1911) ונילס בוהר, 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.

הסבר הכימיה באמצעות מבנה האטום ומושגים פיזיקליים
תאוריות ראשונות של קשרים כימייים פותחו לאחר גילוי האלקטרון על ידי ג'יי ג'יי תומסון באפריל 1897. מספר מדענים, כגון ויליאם פראוט (William Prout) ונורמן לוקיטר (Norman Lockyr), הציעו שאטומים בנויים מיחידה יותר בסיסית, אך סברו כי היחידה הזאת תהיה בגודל של האטום הכי קטן, מימן. תומסון, היה הראשון להוכיח שישנו חלקיק תת-אטומי, הקטן ביותר מפי 1,000 מהאטום, חלקיק שכיום ידוע כאלקטרון. תומסון גילה זאת דרך מחקריו על שפופרת קרן קתודית, בעקבות הגילוי שקרני קתודה יכולות לנוע דרך האוויר הרבה יותר רחוק ממה שאפשרי לחלקיק בגודל אטומי.  הוא העריך את המסה של קרני הקתודה על ידי מדידת החום שנפלט כאשר הקרניים פגעו בצומת תרמית והשווה זאת לסטייה של הקרניים על ידי שדה מגנטי. הניסויים שלו הציעו לא רק שקרניים קתודיות קלות ביותר מפי 1,000 מאטום המימן, אלא גם שהמסה שלהם זהה ללא תלות ביסוד ממנו באו. הוא הסיק שהקרניים בנויות מחלקיקים מאוד קלים, בעלי מטען שלילי, חלקיקים המהווים רכיב אוניברסלי של מבנה האטומים.

בשנת 1904 תומסון הציע מודל ראשון של מבנה אטום, המכונה מודל עוגת הצימוקים. לפי מודל זה האטום הוא כדור של חומר טעון חיובית ובתוכו מפוזרים האלקטרונים, כך האלקטרונים בעלי המטען השלילי מאזנים את המטען החיובי של החומר בתוכו הם נמצאים ולכן המטען הכולל של האטום הוא נייטרלי. במודל האטומי שלו הניח תומסון שקשרים כימיים נוצרים בעזרת כוחות אלקטרוסטטיים שמועברים בין האטומים. מהנחה זאת נובע כי קשר כימי חייב להיות קוטבי.   

בשנת 1909 הציג לראשונה הכימאי הדני סרן סרנסן  את מושג ה-PH - מדד מספרי לרמת חומציות של תמיסה מימית, המתבסס על ריכוזם של יוני הידרוקסיד ע"פ יחס לוגריתמי הפוך לריכוז הידרוניום () הידועה בתמיסה.

שמאל|ממוזער|250px|המודל הפלנטרי של האטום
ארנסט רתרפורד  ביצע את ניסוי רתרפורד שהראו שלא ייתכן שהאטום מורכב מ"מריחה" של מטען חיובי, אלא שהמטען חיובי של האטום מרוכז באזור קטן מאוד בתוך האטום ולכן יש לדחות את "מודל עוגת הצימוקים". ניסויים אלו הובילו את רתרפורד להציע את המודל הפלנטרי של האטום בשנת 1911. במודל זה הוצג לראשונה הרעיון של גרעין האטום. בשנת 1913 שכלל נילס בוהר את המודל הפלנטרי של האטום והציג את מודל האטום של בוהר  התוספת של בוהר הייתה כי לא כל מסלול אפשרי עבור האלקרטונים, אלא רק מסלולים שבהם התנע הזוויתי של האלקטרונים מהווה כפולה שלמה של קבוע פלאנק המצומצם (המסומן לרוב ב-). מעבר האלקטרון בין מסלול למסלול (כלומר בין רמות אנרגיה) הוא מיידי ומלווה בפליטה או בבליעה של פוטון - מנה (קוונטה) של קרינה אלקטרומגנטית.

מכיוון שלא ניתן להסביר תכונות של תרכובות אורגניות בעזרת קשר קוטבי, התברר שאמורים להתקיים גם קשרים לא קוטביים ולא רק קוטביים כפי שהסביר תומסון. בשנת 1916 טען לראשונה גילברט ניוטון לואיס שקשרים לא קוטביים מתבססים על זוג משותף של אלקטרונים. ובכך הגה את הרעיון של קשר קוולנטי. תאוריה זו תאמה גם את המודל האטומי של רתרפורד ובוהר. התפתחות של המכניקה הקוונטית ופיתוח משוואת שרדינגר בשנת 1926 הובילו לפיתוח תאוריות יותר מדויקות של הקשרים הכימייים.

בסוף המאה ה-19 התפתחה גם הספקטרוסקופיה באופן משמעותי והפכה לכלי חיוני לניתוח כימי. טכניקות ספקטרוסקופיות אפשרו למדענים לחקור את האינטראקציה של חומר עם קרינה אלקטרומגנטית, ולספק מידע חשוב על המבנה וההרכב של מולקולות. הספקטרוסקופיה שאבה רבות מעקרונות הפיזיקה, כולל אופטיקה, אלקטרומגנטיות ומכניקת קוונטים, ושילבה עוד יותר את שתי הדיסציפלינות.

כימיה קוונטית

הדעות חלוקות לגבי לידתה של הכימיה הקוונטית, אך נהוג לראות את תחילתה בהצגתה של משוואת שרדינגר ואת ישומה לבעיית אטום המימן בשנת 1926. עם זאת, מאמרם של וולטר הייטלר ופריץ לונדון, שפורסם בשנת 1927, מתואר לעיתים רבות כאבן הדרך המרכזית בהיסטוריה של הכימיה הקוונטית. היה זהו ישומה הראשון של מכניקת הקוואנטים שהוביל לחקירת מולקולת המימן, ולהבנת תופעות ההקשר הכימי. התקדמות משמעותית הושגה בשנים הבאות על ידי אדוארד טלר, מקס בורן, רוברט אופנהיימר, לינוס פאולינג ואחרים. למרות התקדמות זו שררה סקפטיות רבה באשר ליכולתה של המכניקה הקוונטית לתאר תהליכים כימיים מורכבים.

בשנות הארבעים של המאה העשרים מאמצים רבים הושקעו בפיזיקה גרעינית ומכאן שגם מוחות רבים עסקו בשאלה הגרעינית, שהובילה בסופו של מחקר רב ליצירת נשק גרעיני. בשנת 1951, פורסם מאמר שהיווה אבן דרך בכימיה הקוונטית בידי קלמנס רוטהאן, שהציג את משוואותיו. משוואות אלו, בשילוב עם מחשבים רבי עוצמה מאפשרות תיאור קוונטי של מולקולות קטנות כמולקולת המימן.

ביולוגיה מולקולרית וביוכימיה
שמאל|ממוזער|200px|מודל מולקולרי של הסליל הכפול של ה-DNA
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 אמפיריים. הביוכימיה החלה לתפוס תאוצה עם השיפור ביכולתם של הכימאים להסביר מבנים מולקולריים, קשרי מימן וזוויות 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 הלווייתנים 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 סינתטיים, 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.

ראו גם
 כימיה
 אלכימיה
 התורה האטומית
 שינויים בפיזיקה ובכימיה בזמן המהפכה המדעית

לקריאה נוספת
 מיכאל חיות, ההיסטוריה של הכימיה, משרד הביטחון – ההוצאה לאור

קישורים חיצוניים

 היסטוריה של הכימיה 

 הערות שוליים 

*
קטגוריה:היסטוריה של המדע
קטגוריה:כימיה