Chemia to badanie materii, jej właściwości, tego, w jaki sposób i dlaczego substancje łączą się lub rozdzielają, tworząc inne substancje, i jak substancje oddziałują z energią. Wielu ludzi uważa chemików za białych naukowców mieszających dziwne ciecze w laboratorium, ale prawda jest taka, że wszyscy jesteśmy chemikami. Zrozumienie podstawowych pojęć chemicznych jest ważne dla prawie każdego zawodu. Chemia jest częścią wszystkiego w naszym życiu.
Każdy istniejący materiał składa się z materii - nawet nasze własne ciała. Chemia bierze udział we wszystkim, co robimy, od uprawy i gotowania żywności, poprzez sprzątanie naszych domów i ciał, po uruchomienie promu kosmicznego. Chemia jest jedną z nauk fizycznych, które pomagają nam opisywać i wyjaśniać nasz świat.
Pięć oddziałów
Istnieje pięć głównych gałęzi chemii, z których każda ma wiele dziedzin nauki.
Chemia analityczna wykorzystuje obserwacje jakościowe i ilościowe do identyfikacji i pomiaru właściwości fizycznych i chemicznych substancji. W pewnym sensie cała chemia jest analityczna.
Chemia fizyczna łączy chemię z fizyką. Chemicy fizyczni badają interakcje materii i energii. Termodynamika i mechanika kwantowa to dwie ważne gałęzie chemii fizycznej.
Chemia organiczna konkretnie bada związki zawierające pierwiastek węgla. Węgiel ma wiele unikalnych właściwości, które pozwalają mu tworzyć złożone wiązania chemiczne i bardzo duże cząsteczki. Chemia organiczna jest znana jako „Chemia życia”, ponieważ wszystkie cząsteczki tworzące żywą tkankę zawierają węgiel jako część ich składu.
Chemia nieorganiczna bada materiały, takie jak metale i gazy, które nie zawierają węgla jako część ich składu.
Biochemia to badanie procesów chemicznych zachodzących w organizmach żywych.
Kierunki studiów
W ramach tych szerokich kategorii znajdują się niezliczone kierunki studiów, z których wiele ma istotny wpływ na nasze codzienne życie. Apteki ulepszają wiele produktów, od jedzenia, które jemy i odzieży, którą nosimy, po materiały, z których budujemy nasze domy. Chemia pomaga chronić nasze środowisko i poszukuje nowych źródeł energii.
Chemia gastronomiczna
Nauka o żywności zajmuje się trzema biologicznymi składnikami żywności - węglowodanami, lipidami i białkami. Węglowodany to cukry i skrobie, paliwa chemiczne potrzebne do funkcjonowania naszych komórek. Lipidy to tłuszcze i oleje, które są niezbędnymi częściami błon komórkowych oraz smarują i amortyzują narządy w ciele. Ponieważ tłuszcze mają 2,25 razy więcej energii na gram niż węglowodany lub białka, wiele osób próbuje ograniczyć ich spożycie, aby uniknąć nadwagi. Białka są złożonymi cząsteczkami złożonymi ze 100 do 500 lub więcej aminokwasów, które są połączone ze sobą i złożone w trójwymiarowe kształty niezbędne dla struktury i funkcji każdej komórki. Nasze ciała mogą syntetyzować niektóre aminokwasy; jednak osiem z nich, niezbędnych aminokwasów, należy przyjmować jako część naszego pożywienia. Naukowcy zajmujący się żywnością zajmują się również nieorganicznymi składnikami żywności, takimi jak zawartość wody, minerały, witaminy i enzymy.
Chemicy żywności poprawiają jakość, bezpieczeństwo, przechowywanie i smak naszej żywności. Chemicy żywności mogą pracować dla przemysłu prywatnego w celu opracowania nowych produktów lub usprawnienia przetwarzania. Mogą również współpracować z agencjami rządowymi, takimi jak Urząd ds. Żywności i Leków, w celu kontroli produktów żywnościowych i osób zajmujących się obsługą, aby chronić nas przed zanieczyszczeniem lub szkodliwymi praktykami. Chemicy spożywczy testują produkty w celu dostarczenia informacji wykorzystywanych na etykietach żywieniowych lub ustalenia, w jaki sposób pakowanie i przechowywanie wpływa na bezpieczeństwo i jakość żywności. Aromatyzatorzy pracują z chemikaliami, aby zmienić smak jedzenia. Chemicy mogą również pracować nad innymi sposobami poprawy atrakcyjności sensorycznej, takimi jak poprawa koloru, zapachu lub tekstury.
Chemia środowiska
Chemicy środowiskowi badają interakcje chemikaliów ze środowiskiem naturalnym. Chemia środowiska to interdyscyplinarne badanie, które obejmuje zarówno chemię analityczną, jak i zrozumienie nauk o środowisku. Chemicy środowiskowi muszą najpierw zrozumieć chemikalia i reakcje chemiczne zachodzące w naturalnych procesach w wodzie i powietrzu gleby. Pobieranie próbek i analiza mogą następnie ustalić, czy działalność człowieka zanieczyściła środowisko lub spowodowała na niego szkodliwe reakcje.
Jakość wody jest ważnym obszarem chemii środowiska. „Czysta” woda nie istnieje w naturze; zawsze ma w sobie rozpuszczone minerały lub inne substancje. Chemicy jakości wody testują rzeki, jeziora i wodę oceaniczną pod kątem takich właściwości, jak rozpuszczony tlen, zasolenie, zmętnienie, zawieszone osady i pH. Woda przeznaczona do spożycia przez ludzi musi być wolna od szkodliwych zanieczyszczeń i może być uzdatniana dodatkami takimi jak fluor i chlor, aby zwiększyć jej bezpieczeństwo.
Chemia rolnicza
Chemia rolna dotyczy substancji i reakcji chemicznych związanych z produkcją, ochroną i wykorzystaniem upraw i zwierząt gospodarskich. Jest to dziedzina wysoce interdyscyplinarna, która opiera się na powiązaniach z wieloma innymi naukami. Chemicy rolni mogą współpracować z Ministerstwem Rolnictwa, Agencją Ochrony Środowiska, Administracją Żywności i Leków lub dla przemysłu prywatnego. Chemicy rolni opracowują nawozy, insektycydy i herbicydy niezbędne do produkcji na dużą skalę. Muszą także monitorować sposób użytkowania tych produktów i ich wpływ na środowisko. Suplementy diety zostały opracowane w celu zwiększenia wydajności stad mięsnych i mlecznych.
Biotechnologia rolna jest szybko rozwijającym się celem wielu chemików rolnych. Genetyczne manipulowanie uprawami, aby były odporne na herbicydy stosowane do zwalczania chwastów na polach, wymaga szczegółowego zrozumienia zarówno roślin, jak i chemikaliów na poziomie molekularnym. Biochemicy muszą zrozumieć genetykę, chemię i potrzeby biznesowe w celu opracowania roślin, które są łatwiejsze w transporcie lub mają dłuższy okres trwałości.
Inżynieria chemiczna
Inżynierowie chemicy badają i opracowują nowe materiały lub procesy, które wymagają reakcji chemicznych. Inżynieria chemiczna łączy doświadczenie w chemii z koncepcjami inżynierii i ekonomii w celu rozwiązania problemów technologicznych. Miejsca pracy w inżynierii chemicznej dzielą się na dwie główne grupy: zastosowania przemysłowe i opracowywanie nowych produktów.
Branże wymagają od inżynierów chemicznych opracowania nowych sposobów, aby wytwarzanie ich produktów było łatwiejsze i bardziej opłacalne. Inżynierowie chemiczni są zaangażowani w projektowanie i obsługę zakładów przetwórczych, opracowują procedury bezpieczeństwa postępowania z materiałami niebezpiecznymi i nadzorują produkcję prawie każdego używanego przez nas produktu. Inżynierowie chemicy pracują nad rozwojem nowych produktów i procesów w każdej dziedzinie, od farmaceutyków po paliwa i komponenty komputerowe.
Geochemia
Geochemicy łączą chemię i geologię, aby badać skład i interakcje między substancjami występującymi na Ziemi. Geochemicy mogą spędzać więcej czasu na badaniach w terenie niż inni chemicy. Wielu pracuje dla US Geological Survey lub Agencji Ochrony Środowiska w celu ustalenia, w jaki sposób operacje wydobywcze i odpady mogą wpływać na jakość wody i środowisko. Mogą podróżować do odległych opuszczonych kopalń, aby pobrać próbki i przeprowadzić zgrubne oceny pola, a następnie podążać strumieniem przez zlewnię, aby ocenić, w jaki sposób zanieczyszczenia przemieszczają się przez system. Geochemicy ropy naftowej są zatrudniani przez koncerny naftowe i gazowe w celu znalezienia nowych rezerw energii. Mogą również pracować na rurociągach i platformach wiertniczych, aby zapobiec reakcjom chemicznym, które mogłyby spowodować wybuch lub rozlanie.
Chemia sądowa
Chemicy kryminalistyczni przechwytują i analizują fizyczne dowody pozostawione na miejscu zbrodni, aby pomóc ustalić tożsamość zaangażowanych osób, a także odpowiedzieć na inne ważne pytania dotyczące tego, jak i dlaczego przestępstwo zostało popełnione. Chemicy medycyny sądowej stosują wiele różnych metod analizy, takich jak chromatografia, spektrometria i spektroskopia.
W nowych badaniach opublikowanych w czasopiśmie Journal of the American Society of Mass Spectrometry naukowcy z wydziału chemii Uniwersytetu Stanowego w Luizjanie postanowili zastosować technologię laserową w dziedzinie kryminalistyki.
Opracowali system wykraczający poza identyfikację odcisku palca. Technika ta może wychwytywać cząsteczki zawarte w supermarkecie, w tym lipidy, białka, materiał genetyczny, a nawet śladowe ilości materiałów wybuchowych, które można dalej analizować. Nowe narzędzie w zasadzie usuwa tajemnicę z identyfikacji składu chemicznego palców rąk na miejscu zbrodni.
Narzędzie skupia laser - używając luster i światłowodów - na powierzchni zawierającej supermarket. Laser ogrzewa następnie wodę lub wilgoć na powierzchni, powodując rozciąganie i wibrowanie wiązań chemicznych w wodzie, zgodnie z blogiem LSU College of Science. Cała ta skupiona energia powoduje, że woda „eksploduje”, zamieniając ją w gaz i oddzielając biomolekuły, takie jak DNA. Ten proces nazywa się ablacją laserową.
Następnie mały system pompy próżniowej wciąga wodę i cząsteczki do małego filtra, który przechwytuje wszystko, co pozostawia palec osoby. Naukowcy medycyny sądowej mogą następnie umieścić zawartość w urządzeniu analitycznym, takim jak spektrometr masowy lub spektrometr masowy z chromatografią gazową.
Co ważne, ta technika ablacji laserowej może z łatwością uchwycić palce palców na porowatych powierzchniach, takich jak tektura (na których tradycyjne metody kryminalistyczne nie odniosły sukcesu).
Aby przetestować swoją nową technikę, naukowcy umieścili palce palców na wielu różnych rodzajach powierzchni, w tym na szkle, plastiku, aluminium i tekturze. Zgodnie z blogiem LSU College of Science blog te palcowe produkty były pokryte substancjami tak różnorodnymi, jak kofeina, krem antyseptyczny, lubrykanty do prezerwatyw i TNT. Po każdym zdjęciu z palca chemicy byli w stanie zidentyfikować te substancje za pomocą spektrometrii masowej.
