Βιοχημεία
Καθώς η κατανόηση της άψυχης χημείας αναπτύχθηκε κατά τον 19ο αιώνα, οι προσπάθειες ερμηνείας των φυσιολογικών διεργασιών των ζωντανών οργανισμών όσον αφορά τη μοριακή δομή και την αντιδραστικότητα οδήγησαν στην πειθαρχία της βιοχημείας. Οι βιοχημικοί χρησιμοποιούν τις τεχνικές και τις θεωρίες της χημείας για την ανίχνευση της μοριακής βάσης της ζωής. Ένας οργανισμός διερευνάται με την προϋπόθεση ότι οι φυσιολογικές του διεργασίες είναι το αποτέλεσμα πολλών χιλιάδων χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν με έναν πολύ ολοκληρωμένο τρόπο. Οι βιοχημικοί έχουν καθιερώσει, μεταξύ άλλων, τις αρχές που διέπουν τη μεταφορά ενέργειας στα κύτταρα, τη χημική δομή των κυτταρικών μεμβρανών, την κωδικοποίηση και μετάδοση κληρονομικών πληροφοριών, τη μυϊκή και νευρική λειτουργία και τις βιοσυνθετικές οδούς. Στην πραγματικότητα, βρέθηκαν σχετικά βιομόρια να διαδραματίζουν παρόμοιους ρόλους σε οργανισμούς τόσο διαφορετικούς όσο τα βακτήρια και τα ανθρώπινα όντα. Η μελέτη των βιομορίων, ωστόσο, παρουσιάζει πολλές δυσκολίες. Τέτοια μόρια είναι συχνά πολύ μεγάλα και παρουσιάζουν μεγάλη δομική πολυπλοκότητα. Επιπλέον, οι χημικές αντιδράσεις που υφίστανται είναι συνήθως εξαιρετικά γρήγορες. Ο διαχωρισμός των δύο κλώνων του DNA, για παράδειγμα, συμβαίνει στο ένα εκατοστό του δευτερολέπτου. Αυτοί οι γρήγοροι ρυθμοί αντίδρασης είναι δυνατοί μόνο μέσω της ενδιάμεσης δράσης των βιομορίων που ονομάζονται ένζυμα. Τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες που οφείλουν τις αξιοσημείωτες ικανότητες επιτάχυνσης του ρυθμού τους στην τρισδιάστατη χημική τους δομή. Δεν αποτελεί έκπληξη ότι οι βιοχημικές ανακαλύψεις είχαν μεγάλο αντίκτυπο στην κατανόηση και τη θεραπεία της νόσου. Πολλές ασθένειες λόγω εγγενών σφαλμάτων του μεταβολισμού έχουν εντοπιστεί σε συγκεκριμένα γενετικά ελαττώματα. Άλλες ασθένειες προκύπτουν από διαταραχές σε φυσιολογικές βιοχημικές οδούς.
ιστορία της τεχνολογίας: Χημεία
Έχει αναφερθεί η συμβολή του Robert Boyle στη θεωρία της ατμοηλεκτρικής ενέργειας, αλλά ο Boyle αναγνωρίζεται πιο συχνά ως «πατέρας της χημείας».
Συχνά, τα συμπτώματα μπορούν να ανακουφιστούν από τα ναρκωτικά και η ανακάλυψη, ο τρόπος δράσης και η υποβάθμιση των θεραπευτικών παραγόντων είναι ένας από τους σημαντικότερους τομείς μελέτης στη βιοχημεία. Οι βακτηριακές λοιμώξεις μπορούν να αντιμετωπιστούν με σουλφοναμίδες, πενικιλλίνες και τετρακυκλίνες και η έρευνα για ιογενείς λοιμώξεις αποκάλυψε την αποτελεσματικότητα του acyclovir έναντι του ιού του έρπητα. Υπάρχει πολύ ενδιαφέρον σήμερα για τις λεπτομέρειες της καρκινογένεσης και της χημειοθεραπείας του καρκίνου. Είναι γνωστό, για παράδειγμα, ότι ο καρκίνος μπορεί να προκύψει όταν τα μόρια που προκαλούν καρκίνο ή καρκινογόνα όπως ονομάζονται, αντιδρούν με νουκλεϊκά οξέα και πρωτεΐνες και παρεμβαίνουν στους φυσιολογικούς τρόπους δράσης τους. Οι ερευνητές έχουν αναπτύξει δοκιμές που μπορούν να εντοπίσουν μόρια που ενδέχεται να είναι καρκινογόνα. Η ελπίδα, φυσικά, είναι ότι η πρόοδος στην πρόληψη και τη θεραπεία του καρκίνου θα επιταχυνθεί μόλις γίνει κατανοητή η βιοχημική βάση της νόσου.
Η μοριακή βάση των βιολογικών διαδικασιών είναι ένα βασικό χαρακτηριστικό των ταχέως αναπτυσσόμενων κλάδων της μοριακής βιολογίας και της βιοτεχνολογίας. Η Χημεία έχει αναπτύξει μεθόδους για τον γρήγορο και ακριβή προσδιορισμό της δομής των πρωτεϊνών και του DNA. Επιπλέον, επινοούνται αποτελεσματικές εργαστηριακές μέθοδοι για τη σύνθεση γονιδίων. Τελικά, μπορεί να γίνει δυνατή η διόρθωση γενετικών ασθενειών με αντικατάσταση ελαττωματικών γονιδίων με φυσιολογικά.
Χημεία πολυμερών
Η απλή αιθυλενίου ουσία είναι αέριο αποτελείται από μόρια με τύπου CH 2 CH 2. Υπό ορισμένες συνθήκες, πολλά μόρια αιθυλενίου θα ενώνονται μαζί για να σχηματίσουν μια μακρά αλυσίδα που ονομάζεται πολυαιθυλένιο, με τον τύπο (CH 2 CH 2) n, όπου το η είναι ένας μεταβλητός αλλά μεγάλο αριθμό. Το πολυαιθυλένιο είναι ένα σκληρό, ανθεκτικό στερεό υλικό πολύ διαφορετικό από το αιθυλένιο. Είναι ένα παράδειγμα ενός πολυμερούς, το οποίο είναι ένα μεγάλο μόριο που αποτελείται από πολλά μικρότερα μόρια (μονομερή), που ενώνονται συνήθως με γραμμικό τρόπο. Πολλές ουσίες που απαντώνται στη φύση, συμπεριλαμβανομένης της κυτταρίνης, του αμύλου, του βαμβακιού, του μαλλιού, του καουτσούκ, του δέρματος, των πρωτεϊνών και του DNA, είναι πολυμερή. Το πολυαιθυλένιο, το νάιλον και τα ακρυλικά είναι παραδείγματα συνθετικών πολυμερών. Η μελέτη τέτοιων υλικών εμπίπτει στον τομέα της χημείας των πολυμερών, μια ειδικότητα που άνθισε τον 20ο αιώνα. Η διερεύνηση φυσικών πολυμερών αλληλεπικαλύπτεται σημαντικά με τη βιοχημεία, αλλά η σύνθεση νέων πολυμερών, η διερεύνηση των διαδικασιών πολυμερισμού και ο χαρακτηρισμός της δομής και των ιδιοτήτων των πολυμερών υλικών δημιουργούν μοναδικά προβλήματα για τους χημικούς του πολυμερούς.
Οι πολυμερείς χημικοί έχουν σχεδιάσει και συνθέσει πολυμερή που ποικίλλουν σε σκληρότητα, ευελιξία, θερμοκρασία μαλακώματος, διαλυτότητα στο νερό και βιοαποικοδομησιμότητα. Έχουν παράγει πολυμερή υλικά που είναι τόσο ισχυρά όσο ο χάλυβας, αλλά είναι ελαφρύτερα και πιο ανθεκτικά στη διάβρωση. Οι αγωγοί πετρελαίου, φυσικού αερίου και νερού κατασκευάζονται συνήθως από πλαστικό σωλήνα. Τα τελευταία χρόνια, οι αυτοκινητοβιομηχανίες αύξησαν τη χρήση πλαστικών εξαρτημάτων για την κατασκευή ελαφρύτερων οχημάτων που καταναλώνουν λιγότερα καύσιμα. Άλλες βιομηχανίες όπως αυτές που ασχολούνται με την κατασκευή υφασμάτων, καουτσούκ, χαρτιού και υλικών συσκευασίας βασίζονται στη χημεία του πολυμερούς.
Εκτός από την παραγωγή νέων ειδών πολυμερών υλικών, οι ερευνητές ασχολούνται με την ανάπτυξη ειδικών καταλυτών που απαιτούνται από τη βιομηχανική σύνθεση μεγάλης κλίμακας εμπορικών πολυμερών. Χωρίς τέτοιους καταλύτες, η διαδικασία πολυμερισμού θα ήταν πολύ αργή σε ορισμένες περιπτώσεις.
Φυσική χημεία
Πολλοί χημικοί κλάδοι, όπως αυτοί που έχουν ήδη συζητηθεί, εστιάζουν σε ορισμένες κατηγορίες υλικών που έχουν κοινά δομικά και χημικά χαρακτηριστικά. Άλλες ειδικότητες μπορεί να επικεντρώνονται όχι σε μια κατηγορία ουσιών αλλά μάλλον στις αλληλεπιδράσεις και τους μετασχηματισμούς τους. Το παλαιότερο από αυτά τα πεδία είναι η φυσική χημεία, η οποία επιδιώκει να μετρήσει, να συσχετίσει και να εξηγήσει τις ποσοτικές πτυχές των χημικών διεργασιών. Ο αγγλο-ιρλανδός χημικός Robert Boyle, για παράδειγμα, ανακάλυψε τον 17ο αιώνα ότι σε θερμοκρασία δωματίου ο όγκος μιας σταθερής ποσότητας αερίου μειώνεται αναλογικά καθώς αυξάνεται η πίεση σε αυτό. Έτσι, για ένα αέριο σε σταθερή θερμοκρασία, το προϊόν του όγκου του V και της πίεσης P ισούται με έναν σταθερό αριθμό - δηλαδή, PV = σταθερά. Μια τόσο απλή αριθμητική σχέση ισχύει για σχεδόν όλα τα αέρια σε θερμοκρασία δωματίου και σε πιέσεις ίσες ή μικρότερες από μία ατμόσφαιρα. Μεταγενέστερη εργασία έδειξε ότι η σχέση χάνει την ισχύ της σε υψηλότερες πιέσεις, αλλά μπορούν να προκύψουν πιο περίπλοκες εκφράσεις που ταιριάζουν με μεγαλύτερη ακρίβεια στα πειραματικά αποτελέσματα. Η ανακάλυψη και διερεύνηση τέτοιων χημικών κανονικοτήτων, που συχνά αποκαλούνται νόμοι της φύσης, βρίσκονται στο πεδίο της φυσικής χημείας. Για μεγάλο μέρος του 18ου αιώνα, η πηγή της μαθηματικής κανονικότητας στα χημικά συστήματα θεωρήθηκε ότι είναι η συνέχεια των δυνάμεων και των πεδίων που περιβάλλουν τα άτομα που απαρτίζουν χημικά στοιχεία και ενώσεις. Ωστόσο, οι εξελίξεις του 20ού αιώνα έδειξαν ότι η χημική συμπεριφορά ερμηνεύεται καλύτερα από ένα κβαντικό μηχανικό μοντέλο ατομικής και μοριακής δομής. Ο κλάδος της φυσικής χημείας που είναι σε μεγάλο βαθμό αφιερωμένος σε αυτό το θέμα είναι η θεωρητική χημεία. Οι θεωρητικοί χημικοί χρησιμοποιούν εκτενώς τους υπολογιστές για να τους βοηθήσουν να λύσουν περίπλοκες μαθηματικές εξισώσεις. Άλλοι κλάδοι της φυσικής χημείας περιλαμβάνουν τη χημική θερμοδυναμική, η οποία ασχολείται με τη σχέση μεταξύ θερμότητας και άλλων μορφών χημικής ενέργειας και της χημικής κινητικής, η οποία επιδιώκει να μετρήσει και να κατανοήσει τους ρυθμούς των χημικών αντιδράσεων. Η ηλεκτροχημεία διερευνά τη σχέση μεταξύ ηλεκτρικού ρεύματος και χημικής αλλαγής. Η διέλευση ενός ηλεκτρικού ρεύματος μέσω ενός χημικού διαλύματος προκαλεί αλλαγές στις συστατικές ουσίες που είναι συχνά αναστρέψιμες - δηλαδή, υπό διαφορετικές συνθήκες, οι ίδιες οι τροποποιημένες ουσίες θα παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα. Οι συνηθισμένες μπαταρίες περιέχουν χημικές ουσίες οι οποίες, όταν βρίσκονται σε επαφή μεταξύ τους κλείνοντας ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, θα μεταδίδουν ρεύμα σε σταθερή τάση έως ότου καταναλωθούν οι ουσίες. Προς το παρόν υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για συσκευές που μπορούν να χρησιμοποιήσουν την ενέργεια στο φως του ήλιου για να προκαλέσουν χημικές αντιδράσεις των οποίων τα προϊόντα είναι ικανά να αποθηκεύουν την ενέργεια. Η ανακάλυψη τέτοιων συσκευών θα επέτρεπε την ευρεία χρήση της ηλιακής ενέργειας.
Υπάρχουν πολλοί άλλοι κλάδοι στη φυσική χημεία που ασχολούνται περισσότερο με τις γενικές ιδιότητες των ουσιών και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ουσιών παρά με τις ίδιες τις ουσίες. Η φωτοχημεία είναι μια ειδικότητα που διερευνά την αλληλεπίδραση του φωτός με την ύλη. Οι χημικές αντιδράσεις που ξεκινούν από την απορρόφηση του φωτός μπορεί να είναι πολύ διαφορετικές από αυτές που συμβαίνουν με άλλα μέσα. Η βιταμίνη D, για παράδειγμα, σχηματίζεται στο ανθρώπινο σώμα όταν το στεροειδές εργοστερόλη απορροφά την ηλιακή ακτινοβολία. η εργοστερόλη δεν αλλάζει σε βιταμίνη D στο σκοτάδι.
Μια ταχέως αναπτυσσόμενη υπο-επιστήμη της φυσικής χημείας είναι η επιφανειακή χημεία. Εξετάζει τις ιδιότητες των χημικών επιφανειών, βασισμένος σε μεγάλο βαθμό σε όργανα που μπορούν να παρέχουν ένα χημικό προφίλ τέτοιων επιφανειών. Όποτε ένα στερεό εκτίθεται σε ένα υγρό ή ένα αέριο, μια αντίδραση λαμβάνει χώρα αρχικά στην επιφάνεια του στερεού και οι ιδιότητές του μπορούν να αλλάξουν δραματικά ως αποτέλεσμα. Το αλουμίνιο είναι ένα παράδειγμα: είναι ανθεκτικό στη διάβρωση ακριβώς επειδή η επιφάνεια του καθαρού μετάλλου αντιδρά με οξυγόνο σχηματίζοντας ένα στρώμα οξειδίου του αργιλίου, το οποίο χρησιμεύει για την προστασία του εσωτερικού του μετάλλου από περαιτέρω οξείδωση. Πολλοί καταλύτες αντίδρασης εκτελούν τη λειτουργία τους παρέχοντας μια αντιδραστική επιφάνεια στην οποία οι ουσίες μπορούν να αντιδράσουν.
