Ķīmija

Bioķīmija

Tā kā 19. gadsimtā palielinājās izpratne par nedzīvo ķīmiju, mēģinājumi interpretēt dzīvo organismu fizioloģiskos procesus molekulārās struktūras un reaģētspējas izteiksmē radīja bioķīmijas disciplīnu. Bioķīmiķi izmanto ķīmijas paņēmienus un teorijas, lai pārbaudītu dzīves molekulāro bāzi. Organismu izmeklē, pamatojoties uz pieņēmumu, ka tā fizioloģiskie procesi ir daudzu tūkstošu ķīmisku reakciju, kas notiek ļoti integrētā veidā, sekas. Bioķīmiķi cita starpā ir izstrādājuši principus, uz kuriem balstās enerģijas pārnešana šūnās, šūnu membrānu ķīmiskā struktūra, iedzimtas informācijas kodēšana un pārsūtīšana, muskuļu un nervu funkcijas, kā arī biosintētiskie ceļi. Faktiski ir atklāts, ka saistītās biomolekulas pilda līdzīgu lomu tikpat atšķirīgos organismos kā baktērijas un cilvēki. Biomolekulu izpēte tomēr rada daudz grūtību. Šādas molekulas bieži ir ļoti lielas un tām ir liela struktūras sarežģītība; turklāt ķīmiskās reakcijas, kuras tajās notiek, parasti ir ārkārtīgi ātras. Piemēram, divu DNS virzienu atdalīšana notiek vienas sekundes miljondaļā. Šādi strauji reakcijas ātrumi ir iespējami tikai ar biomolekulu, ko sauc par fermentiem, starpniecību. Fermenti ir olbaltumvielas, kuru trīsdimensiju ķīmiskā struktūra ir parādā savas ievērojamās ātrumu paātrinošās spējas. Nav pārsteidzoši, ka bioķīmiskie atklājumi ir lieliski ietekmējuši slimības izpratni un ārstēšanu. Daudzas kaites, kas radušās iedzimtu metabolisma kļūdu dēļ, ir saistītas ar specifiskiem ģenētiskiem defektiem. Citas slimības rodas no traucējumiem normālajā bioķīmiskajā ceļā.

tehnoloģijas vēsture: Ķīmija

Tika pieminēts Roberta Boilija ieguldījums tvaika enerģijas teorijā, bet Boils ir vairāk atzīts par “ķīmijas tēvu”.

Bieži simptomus var mazināt ar zālēm, un terapeitisko līdzekļu atklāšana, darbības veids un noārdīšanās ir vēl viena no galvenajām bioķīmijas pētījumu jomām. Baktēriju infekcijas var ārstēt ar sulfonamīdiem, penicilīniem un tetraciklīniem, un vīrusu infekciju pētījumi atklāja aciklovira efektivitāti pret herpes vīrusu. Pašreizējā interese ir par kanceroģenēzes un vēža ķīmijterapijas detaļām. Piemēram, ir zināms, ka vēzis var rasties, ja vēzi izraisošās molekulas vai kancerogēni, kā tos sauc, reaģē ar nukleīnskābēm un olbaltumvielām un traucē to normālo darbību. Pētnieki ir izstrādājuši testus, kas var identificēt molekulas, kas, iespējams, ir kancerogēnas. Protams, ceru, ka progresēšana vēža profilaksē un ārstēšanā paātrināsies, kad tiks pilnīgāk izprasts slimības bioķīmiskais pamats.

Bioloģisko procesu molekulārā bāze ir būtiska iezīme strauji augošajās molekulārās bioloģijas un biotehnoloģijas disciplīnās. Ķīmija ir izstrādājusi metodes, lai ātri un precīzi noteiktu olbaltumvielu un DNS struktūru. Turklāt tiek izstrādātas efektīvas laboratorijas metodes gēnu sintēzei. Galu galā var kļūt iespējama ģenētisko slimību korekcija, aizstājot bojātus gēnus ar normāliem.

Polimēru ķīmija

Vienkāršs viela etilēna ir gāze kas sastāv no molekulām ar formulu CH ₂ CH ₂. Saskaņā ar zināmiem nosacījumiem, daudzas etilēna molekulas apvienoties, lai veidotu garu ķēdi, ko sauc par polietilēna, ar formulu (CH ₂ CH ₂) _n, kur n ir mainīgs bet liels skaits. Polietilēns ir izturīgs, izturīgs ciets materiāls, kas diezgan atšķirīgs no etilēna. Tas ir polimēra piemērs, kas ir liela molekula, kas sastāv no daudzām mazākām molekulām (monomēriem), parasti lineāri savienojot tos. Daudzas dabā sastopamas vielas, ieskaitot celulozi, cieti, kokvilnu, vilnu, gumiju, ādu, olbaltumvielas un DNS, ir polimēri. Polietilēns, neilons un akrils ir sintētisko polimēru piemēri. Šādu materiālu izpēte ietilpst polimēru ķīmijas jomā - specialitātē, kas uzplaukusi 20. gadsimtā. Dabisko polimēru izpēte ievērojami pārklājas ar bioķīmiju, bet jauno polimēru sintēze, polimerizācijas procesu izpēte, kā arī polimēru materiālu raksturojums un īpašības raksturo polimēru ķīmiķiem unikālas problēmas.

Polimēru ķīmiķi ir izstrādājuši un sintezējuši polimērus, kuriem ir atšķirīga cietība, elastība, mīkstināšanas temperatūra, šķīdība ūdenī un bioloģiskā noārdīšanās spēja. Viņi ir ražojuši polimēru materiālus, kas ir tikpat izturīgi kā tērauds, tomēr vieglāki un izturīgāki pret koroziju. Naftas, dabasgāzes un ūdens cauruļvadi tagad tiek konstruēti no plastmasas caurulēm. Pēdējos gados autoražotāji ir palielinājuši plastmasas detaļu izmantošanu, lai izgatavotu vieglākus transportlīdzekļus, kas patērē mazāk degvielas. Citas nozares, piemēram, tekstilizstrādājumu, gumijas, papīra un iepakojuma materiālu ražošanā, ir balstītas uz polimēru ķīmiju.

Papildus jaunu polimēru materiālu ražošanai pētnieki nodarbojas ar īpašu katalizatoru izstrādi, kas nepieciešami komerciālu polimēru plaša mēroga rūpnieciskai sintēzei. Bez šādiem katalizatoriem polimerizācijas process dažos gadījumos būtu ļoti lēns.

Fizikālā ķīmija

Daudzas ķīmiskās disciplīnas, piemēram, jau apspriestās, koncentrējas uz noteiktām materiālu klasēm, kurām ir kopīgas struktūras un ķīmiskās īpašības. Citas specialitātes var būt vērstas nevis uz vielu klasi, bet gan uz to mijiedarbību un pārvērtībām. Vecākā no šīm jomām ir fizikālā ķīmija, kuras mērķis ir izmērīt, korelēt un izskaidrot ķīmisko procesu kvantitatīvos aspektus. Piemēram, anglo-īru ķīmiķis Roberts Boils 17. gadsimtā atklāja, ka istabas temperatūrā fiksēta gāzes daudzuma daudzums proporcionāli samazinās, palielinoties spiedienam uz to. Tādējādi gāzei nemainīgā temperatūrā tās tilpuma V un spiediena P reizinājums ir nemainīgs skaitlis, ti, PV = konstants. Šāda vienkārša aritmētiskā attiecība ir derīga gandrīz visām gāzēm istabas temperatūrā un spiedienā, kas vienāds vai mazāks par vienu atmosfēru. Turpmākais darbs parādīja, ka attiecības zaudē savu derīgumu pie augstāka spiediena, taču var iegūt sarežģītākus izteicienus, kas precīzāk atbilst eksperimenta rezultātiem. Šādu ķīmisku likumsakarību, ko bieži dēvē par dabas likumiem, atklāšana un izpēte ir fizikālās ķīmijas joma. Lielā daļā 18. gadsimta matemātiskās regularitātes avots ķīmiskajās sistēmās tika uzskatīts par spēku un lauka nepārtrauktību, kas ieskauj atomus, kas veido ķīmiskos elementus un savienojumus. Tomēr notikumi 20. gadsimtā parādīja, ka ķīmisko izturēšanos vislabāk var izskaidrot ar atomu un molekulārās struktūras kvantu mehānisko modeli. Fizikālās ķīmijas nozare, kas galvenokārt tiek veltīta šim priekšmetam, ir teorētiskā ķīmija. Teorētiskie ķīmiķi plaši izmanto datorus, lai palīdzētu viņiem atrisināt sarežģītus matemātiskos vienādojumus. Citās fizikālās ķīmijas nozarēs ietilpst ķīmiskā termodinamika, kas nodarbojas ar siltuma un citu ķīmiskās enerģijas formu saistību, un ķīmiskā kinētika, kuras mērķis ir izmērīt un izprast ķīmisko reakciju ātrumu. Elektroķīmija pēta elektriskās strāvas un ķīmisko izmaiņu savstarpējo saistību. Elektriskās strāvas caurplūde caur ķīmisku šķīdumu izraisa izmaiņu sastāvdaļās, kas bieži ir atgriezeniskas, ti, dažādos apstākļos pašas izmainītās vielas radīs elektrisko strāvu. Parastās baterijas satur ķīmiskas vielas, kuras, nonākot saskarē ar otru, aizverot elektrisko ķēdi, piegādā strāvu pastāvīgā spriegumā, līdz vielas tiek patērētas. Pašlaik ir liela interese par ierīcēm, kuras enerģiju var izmantot saules gaismā, lai virzītu ķīmiskās reakcijas un kuru produkti var uzglabāt enerģiju. Šādu ierīču atklāšana ļautu plaši izmantot saules enerģiju.

Fizikālajā ķīmijā ir arī daudzas citas disciplīnas, kas vairāk attiecas nevis uz pašām vielām, bet gan uz vispārējām vielu īpašībām un mijiedarbību. Fotoķīmija ir specialitāte, kas pēta gaismas mijiedarbību ar matēriju. Gaismas absorbcijas ierosinātās ķīmiskās reakcijas var ļoti atšķirties no tām, kas notiek ar citiem līdzekļiem. D vitamīns, piemēram, veidojas cilvēka ķermenī, kad steroīds ergosterols absorbē saules starojumu; ergosterols nemainās pret D vitamīnu tumsā.

Strauji attīstās fizikālās ķīmijas apakšdisciplīna ir virsmas ķīmija. Tajā tiek pārbaudītas ķīmisko virsmu īpašības, ļoti paļaujoties uz instrumentiem, kas var nodrošināt šādu virsmu ķīmisko profilu. Kad cietā viela tiek pakļauta šķidrumam vai gāzei, sākotnēji uz cietās vielas virsmas notiek reakcija, un tā īpašības var dramatiski mainīties. Alumīnijs ir piemērs: tas ir izturīgs pret koroziju tieši tāpēc, ka tīra metāla virsma reaģē ar skābekli, veidojot alumīnija oksīda slāni, kas kalpo metāla iekšpuses aizsardzībai no turpmākas oksidācijas. Daudzi reakciju katalizatori pilda savu funkciju, nodrošinot reaktīvu virsmu, uz kuras vielas var reaģēt.