Biochemia
Ponieważ w XIX wieku wzrosło rozumienie chemii nieożywionej, próby interpretacji procesów fizjologicznych organizmów żywych w kategoriach struktury molekularnej i reaktywności doprowadziły do dyscypliny biochemii. Biochemicy wykorzystują techniki i teorie chemii do badania molekularnych podstaw życia. Organizm jest badany przy założeniu, że jego procesy fizjologiczne są konsekwencją wielu tysięcy reakcji chemicznych zachodzących w wysoce zintegrowany sposób. Biochemicy ustalili między innymi zasady leżące u podstaw transferu energii w komórkach, strukturę chemiczną błon komórkowych, kodowanie i przekazywanie informacji dziedzicznej, funkcje mięśni i nerwów oraz szlaki biosyntezy. W rzeczywistości stwierdzono, że pokrewne biomolekuły pełnią podobne role w organizmach tak różnych, jak bakterie i ludzie. Badanie biomolekuł ma jednak wiele trudności. Takie cząsteczki są często bardzo duże i wykazują dużą złożoność strukturalną; ponadto reakcje chemiczne, które zachodzą, są zwykle niezwykle szybkie. Na przykład rozdzielenie dwóch nici DNA zachodzi w milionowej części sekundy. Tak szybkie szybkości reakcji są możliwe tylko poprzez pośrednie działanie biocząsteczek zwanych enzymami. Enzymy to białka, które zawdzięczają swoje niezwykłe zdolności przyspieszania tempa trójwymiarowej strukturze chemicznej. Nic dziwnego, że odkrycia biochemiczne miały ogromny wpływ na zrozumienie i leczenie chorób. Wiele dolegliwości związanych z wrodzonymi błędami metabolicznymi zostało przypisanych do określonych wad genetycznych. Inne choroby wynikają z zakłóceń w normalnych szlakach biochemicznych.
historia technologii: chemia
Wspomniano wkład Roberta Boyle'a w teorię energii pary, ale Boyle jest powszechnie uznawany za „ojca chemii”
Często objawy można złagodzić za pomocą leków, a odkrycie, sposób działania i degradacja środków terapeutycznych to kolejny z głównych obszarów badań w biochemii. Infekcje bakteryjne można leczyć za pomocą sulfonamidów, penicylin i tetracyklin, a badania nad infekcjami wirusowymi wykazały skuteczność acyklowiru przeciwko wirusowi opryszczki. Obecnie istnieje duże zainteresowanie szczegółami karcynogenezy i chemioterapii raka. Wiadomo na przykład, że rak może powstać, gdy cząsteczki wywołujące raka lub rakotwórcze, jak się je nazywa, reagują z kwasami nukleinowymi i białkami i zakłócają ich normalne tryby działania. Naukowcy opracowali testy, które mogą zidentyfikować cząsteczki, które mogą być rakotwórcze. Istnieje oczywiście nadzieja, że postęp w zapobieganiu i leczeniu raka przyspieszy, gdy biochemiczne podstawy choroby zostaną lepiej poznane.
Podstawa molekularna procesów biologicznych jest istotną cechą szybko rozwijających się dziedzin biologii molekularnej i biotechnologii. Chemia opracowała metody szybkiego i dokładnego określania struktury białek i DNA. Ponadto opracowywane są wydajne laboratoryjne metody syntezy genów. Ostatecznie korekta chorób genetycznych poprzez zastąpienie wadliwych genów normalnymi może stać się możliwa.
Chemia polimerów
Prosta substancja etylen jest gazem złożonym z cząsteczek o wzorze CH 2 CH 2. W pewnych warunkach, wiele cząsteczek etylenowe łączą się tworząc długie łańcuchy zwany polietylen, ze wzoru (CH 2 CH 2) n, gdzie n jest zmienną, ale duża liczba. Polietylen jest wytrzymałym, trwałym materiałem stałym zupełnie innym niż etylen. Jest to przykład polimeru, który jest dużą cząsteczką złożoną z wielu mniejszych cząsteczek (monomerów), zwykle połączonych ze sobą w sposób liniowy. Wiele naturalnie występujących substancji, w tym celuloza, skrobia, bawełna, wełna, guma, skóra, białka i DNA, to polimery. Polietylen, nylon i akryl to przykłady polimerów syntetycznych. Badanie takich materiałów należy do dziedziny chemii polimerów, specjalizacji, która rozkwitła w XX wieku. Badanie naturalnych polimerów w znacznym stopniu pokrywa się z biochemią, ale synteza nowych polimerów, badanie procesów polimeryzacji oraz charakterystyka struktury i właściwości materiałów polimerowych stanowią wyjątkowe problemy dla chemików zajmujących się polimerami.
Chemicy polimerów zaprojektowali i zsyntetyzowali polimery, które różnią się twardością, elastycznością, temperaturą mięknienia, rozpuszczalnością w wodzie i biodegradowalnością. Wyprodukowali materiały polimerowe, które są tak mocne jak stal, ale lżejsze i bardziej odporne na korozję. Rurociągi naftowe, gazowe i wodne są obecnie rutynowo budowane z rur z tworzywa sztucznego. W ostatnich latach producenci samochodów zwiększyli wykorzystanie plastikowych komponentów do budowy lżejszych pojazdów, które zużywają mniej paliwa. Inne branże, takie jak te zajmujące się produkcją tekstyliów, gumy, papieru i materiałów opakowaniowych, oparte są na chemii polimerów.
Oprócz produkcji nowych rodzajów materiałów polimerowych, badacze zajmują się opracowaniem specjalnych katalizatorów, które są wymagane w przemysłowej syntezie na dużą skalę przemysłowych polimerów. Bez takich katalizatorów proces polimeryzacji byłby w niektórych przypadkach bardzo wolny.
Chemia fizyczna
Wiele dyscyplin chemicznych, takich jak te już omówione, koncentruje się na określonych klasach materiałów o wspólnych cechach strukturalnych i chemicznych. Inne specjalizacje mogą koncentrować się nie na klasie substancji, ale raczej na ich interakcjach i przekształceniach. Najstarszą z tych dziedzin jest chemia fizyczna, która ma na celu mierzenie, korelowanie i wyjaśnianie ilościowych aspektów procesów chemicznych. Na przykład anglo-irlandzki chemik Robert Boyle odkrył w XVII wieku, że w temperaturze pokojowej objętość ustalonej ilości gazu zmniejsza się proporcjonalnie wraz ze wzrostem ciśnienia. Zatem dla gazu o stałej temperaturze iloczyn jego objętości V i ciśnienia P jest równy stałej liczbie, tj. PV = stała. Taka prosta zależność arytmetyczna obowiązuje dla prawie wszystkich gazów w temperaturze pokojowej i przy ciśnieniach równych lub mniejszych niż jedna atmosfera. Późniejsza praca wykazała, że związek traci swoją ważność przy wyższych ciśnieniach, ale można uzyskać bardziej skomplikowane wyrażenia, które dokładniej odpowiadają wynikom eksperymentalnym. Odkrycie i badanie takich chemicznych regularności, często nazywanych prawami natury, należy do dziedziny chemii fizycznej. Przez większą część XVIII wieku źródłem regularności matematycznej w układach chemicznych było kontinuum sił i pól otaczających atomy tworzące pierwiastki i związki chemiczne. Rozwój XX wieku wykazał jednak, że zachowanie chemiczne najlepiej interpretuje model mechaniki kwantowej o strukturze atomowej i molekularnej. Dziedziną chemii fizycznej, która jest w dużej mierze poświęcona temu zagadnieniu, jest chemia teoretyczna. Chemicy teoretyczni szeroko wykorzystują komputery, aby pomóc im w rozwiązywaniu skomplikowanych równań matematycznych. Inne gałęzie chemii fizycznej obejmują termodynamikę chemiczną, która zajmuje się związkiem między ciepłem a innymi formami energii chemicznej, oraz kinetykę chemiczną, której celem jest pomiar i zrozumienie szybkości reakcji chemicznych. Elektrochemia bada wzajemne powiązania prądu elektrycznego i zmian chemicznych. Przepływ prądu elektrycznego przez roztwór chemiczny powoduje zmiany substancji składowych, które często są odwracalne, tj. W różnych warunkach same zmienione substancje wytwarzają prąd elektryczny. Zwykłe baterie zawierają substancje chemiczne, które po zetknięciu się ze sobą poprzez zamknięcie obwodu elektrycznego będą dostarczać prąd o stałym napięciu do momentu zużycia substancji. Obecnie istnieje duże zainteresowanie urządzeniami, które mogą wykorzystywać energię w świetle słonecznym do sterowania reakcjami chemicznymi, których produkty są zdolne do magazynowania energii. Odkrycie takich urządzeń umożliwiłoby powszechne wykorzystanie energii słonecznej.
W chemii fizycznej istnieje wiele innych dyscyplin, które dotyczą bardziej ogólnych właściwości substancji i interakcji między nimi niż samych substancji. Fotochemia to specjalność, która bada interakcję światła z materią. Reakcje chemiczne inicjowane przez absorpcję światła mogą się bardzo różnić od tych, które zachodzą w inny sposób. Na przykład witamina D powstaje w ludzkim ciele, gdy steroidowy ergosterol pochłania promieniowanie słoneczne; ergosterol nie zmienia się w witaminę D w ciemności.
Szybko rozwijającą się subdyscypliną chemii fizycznej jest chemia powierzchni. Bada właściwości powierzchni chemicznych, w dużym stopniu opierając się na instrumentach, które mogą zapewnić profil chemiczny takich powierzchni. Ilekroć ciało stałe jest wystawione na działanie cieczy lub gazu, reakcja zachodzi początkowo na powierzchni ciała stałego, w wyniku czego jego właściwości mogą się dramatycznie zmienić. Przykładem tego jest aluminium: jest ono odporne na korozję właśnie dlatego, że powierzchnia czystego metalu reaguje z tlenem, tworząc warstwę tlenku glinu, która służy do ochrony wnętrza metalu przed dalszym utlenianiem. Liczne katalizatory reakcji spełniają swoją funkcję, zapewniając reaktywną powierzchnię, na którą mogą reagować substancje.
