Chémia je štúdium hmoty, jej vlastností, ako a prečo sa látky kombinujú alebo separujú za vzniku iných látok a ako látky interagujú s energiou. Mnoho ľudí si myslí, že chemici sú bielymi vedcami miešajúcimi podivné tekutiny v laboratóriu, ale je pravda, že sme všetci chemici. Pochopenie základných pojmov chémie je dôležité pre takmer každé povolanie. Chémia je súčasťou nášho života.
Každý existujúci materiál sa skladá z hmoty - dokonca aj z našich vlastných tiel. Chémia sa podieľa na všetkom, čo robíme, od pestovania a varenia potravín po čistenie našich domovov a tiel až po spustenie raketoplánu. Chémia je jednou z fyzikálnych vied, ktorá nám pomáha opísať a vysvetliť náš svet.
Päť vetiev
Existuje päť hlavných odborov chémie, z ktorých každá má mnoho študijných odborov.
Analytická chémia využíva kvalitatívne a kvantitatívne pozorovanie na identifikáciu a meranie fyzikálnych a chemických vlastností látok. V určitom zmysle je všetka chémia analytická.
Fyzikálna chémia kombinuje chémiu s fyzikou. Fyzikálni chemici študujú interakciu hmoty a energie. Termodynamika a kvantová mechanika sú dve dôležité oblasti fyzikálnej chémie.
Organická chémia špecificky študuje zlúčeniny, ktoré obsahujú prvok uhlík. Uhlík má mnoho jedinečných vlastností, ktoré mu umožňujú vytvárať komplexné chemické väzby a veľmi veľké molekuly. Organická chémia je známa ako „chémia života“, pretože všetky molekuly, ktoré tvoria živé tkanivo, majú ako súčasť svojho zloženia uhlík.
Anorganická chémia študuje materiály ako kovy a plyny, ktoré neobsahujú uhlík ako súčasť ich zloženia.
biochémie je štúdium chemických procesov, ktoré sa vyskytujú v živých organizmoch.
Oblasti štúdia
V rámci týchto širokých kategórií je nespočetné množstvo študijných odborov, z ktorých mnohé majú významný vplyv na náš každodenný život. Chemici vylepšujú mnoho produktov, od potravín, ktoré jeme, a oblečenia, ktoré nosíme, až po materiály, pomocou ktorých staviame svoje domovy. Chémia pomáha chrániť naše životné prostredie a hľadá nové zdroje energie.
Potravinová chémia
Potravinová veda sa zaoberá tromi biologickými zložkami potravín - uhľohydrátmi, lipidmi a bielkovinami. Sacharidy sú cukry a škroby, chemické palivá potrebné na fungovanie našich buniek. Lipidy sú tuky a oleje a sú nevyhnutnou súčasťou bunkových membrán a na mazanie a vankúšové orgány v tele. Pretože tuky majú 2,25-krát viac energie na gram ako sacharidy alebo bielkoviny, veľa ľudí sa snaží obmedziť svoj príjem, aby sa zabránilo nadváhe. Proteíny sú komplexné molekuly zložené zo 100 až 500 alebo viac aminokyselín, ktoré sú navzájom spojené a skladané do trojrozmerných tvarov potrebných pre štruktúru a funkciu každej bunky. Naše telá dokážu syntetizovať niektoré z aminokyselín; osem z nich, esenciálne aminokyseliny, sa však musí brať ako súčasť našej stravy. Vedci potravín sa zaoberajú aj anorganickými zložkami potravín, ako je jej obsah vody, minerály, vitamíny a enzýmy.
Potravinárske chemikálie zlepšujú kvalitu, bezpečnosť, skladovanie a chuť našich potravín. Potravinárske chemikálie môžu pracovať pre súkromný priemysel pri vývoji nových výrobkov alebo zlepšení spracovania. Môžu tiež pracovať pre vládne agentúry, ako je Úrad pre potraviny a liečivá, aby skontrolovali potravinové výrobky a manipulátory, aby nás chránili pred kontamináciou alebo škodlivými postupmi. Potravinárski chemici testujú výrobky, aby poskytli informácie použité na výživových štítkoch alebo aby určili, ako balenie a skladovanie ovplyvňujú bezpečnosť a kvalitu potravín. Flavoristi pracujú s chemikáliami na zmene chuti jedla. Chemici môžu tiež pracovať na iných spôsoboch, ako zlepšiť zmyslovú príťažlivosť, ako je zlepšenie farby, zápachu alebo textúry.
Chémia životného prostredia
Chemici životného prostredia študujú, ako chemikálie interagujú s prírodným prostredím. Environmentálna chémia je interdisciplinárna štúdia, ktorá zahŕňa analytickú chémiu a porozumenie environmentálnej vede. Chemici životného prostredia musia najprv pochopiť chemikálie a chemické reakcie prítomné v prírodných procesoch v pôdnej vode a vzduchu. Odber vzoriek a analýza môžu potom určiť, či ľudské činnosti kontaminovali životné prostredie alebo spôsobili škodlivé reakcie, ktoré ho ovplyvňujú.
Kvalita vody je dôležitou oblasťou environmentálnej chémie. „Čistá“ voda v prírode neexistuje; vždy obsahuje nejaké minerály alebo iné látky. Chemici na kvalitu vody testujú rieky, jazerá a morskú vodu na vlastnosti, ako je rozpustený kyslík, slanosť, zákal, suspendované sedimenty a pH. Voda určená na ľudskú spotrebu nesmie obsahovať škodlivé znečisťujúce látky a na zvýšenie jej bezpečnosti sa môže upravovať prísadami ako fluorid a chlór.
Poľnohospodárska chémia
Poľnohospodárska chémia sa týka látok a chemických reakcií, ktoré sa podieľajú na výrobe, ochrane a využívaní plodín a hospodárskych zvierat. Je to vysoko interdisciplinárna oblasť, ktorá sa spolieha na väzby s mnohými inými vedami. Poľnohospodárski chemici môžu spolupracovať s ministerstvom poľnohospodárstva, Agentúrou na ochranu životného prostredia, Úradom pre potraviny a liečivá alebo pre súkromný priemysel. Poľnohospodárski chemici vyvíjajú hnojivá, insekticídy a herbicídy, ktoré sú potrebné pre veľkovýrobu rastlín. Musia tiež monitorovať, ako sa tieto výrobky používajú a aký majú vplyv na životné prostredie. Výživové doplnky sa vyvíjajú na zvýšenie produktivity stád mäsa a mlieka.
Poľnohospodárska biotechnológia je rýchlo rastúcim zameraním mnohých poľnohospodárskych chemikov. Genetická manipulácia plodín, ktoré sú rezistentné na herbicídy používané na ničenie burín na poliach, si vyžaduje podrobné pochopenie rastlín a chemikálií na molekulárnej úrovni. Biochemici musia porozumieť genetike, chémii a podnikovým potrebám pri vývoji plodín, ktoré sa ľahšie prepravujú alebo ktoré majú dlhšiu trvanlivosť.
Chemické inžinierstvo
Chemickí inžinieri skúmajú a vyvíjajú nové materiály alebo procesy, ktoré zahŕňajú chemické reakcie. Chemické inžinierstvo kombinuje pozadie v chémii s inžinierskymi a ekonomickými konceptmi na riešenie technologických problémov. Pracovné miesta chemického inžinierstva spadajú do dvoch hlavných skupín: priemyselné aplikácie a vývoj nových výrobkov.
Odvetvia vyžadujú, aby chemickí inžinieri navrhli nové spôsoby, ako uľahčiť a zlacniť výrobu svojich výrobkov. Chemickí inžinieri sa podieľajú na navrhovaní a prevádzkovaní spracovateľských závodov, vývoji bezpečnostných postupov pre manipuláciu s nebezpečnými materiálmi a dohľade nad výrobou takmer všetkých výrobkov, ktoré používame. Chemickí inžinieri pracujú na vývoji nových produktov a procesov vo všetkých oblastiach, od farmaceutických výrobkov po palivá a počítačové komponenty.
geochemie
Geochemici kombinujú chémiu a geológiu s cieľom študovať zloženie a interakciu medzi látkami nachádzajúcimi sa na Zemi. Geochemici môžu tráviť viac času terénnymi štúdiami ako iné typy chemikov. Mnohí pracujú pre geologický prieskum USA alebo pre agentúru na ochranu životného prostredia pri určovaní toho, ako ťažobné činnosti a odpad môžu ovplyvniť kvalitu vody a životné prostredie. Môžu cestovať do vzdialených opustených baní, aby odobrali vzorky a vykonali vyhodnotenie drsného poľa, a potom sledujú tok cez svoje povodie, aby vyhodnotili, ako sa znečisťujúce látky pohybujú systémom. Ropné geochemici sú zamestnávaní ropnými a plynárenskými spoločnosťami, aby pomohli nájsť nové energetické rezervy. Môžu tiež pracovať na potrubí a ropných plošinách, aby zabránili chemickým reakciám, ktoré by mohli spôsobiť výbuch alebo rozliatie.
Forenzná chémia
Forenzní chemici zachytávajú a analyzujú fyzické dôkazy, ktoré zostali na mieste činu, aby pomohli určiť totožnosť zapojených ľudí a odpovedať na ďalšie dôležité otázky týkajúce sa toho, ako a prečo bol trestný čin spáchaný. Forenzní chemici používajú širokú škálu analytických metód, ako je chromatografia, spektrometria a spektroskopia.
V novom výskume, ktorý sa objavil v časopise Journal of American Society of Mass Spectrometry, sa vedci z oddelenia chémie na Louisianskej štátnej univerzite (LSU) rozhodli aplikovať laserovú technológiu na oblasť forenznej vedy.
Vyvinuli systém, ktorý ide nad rámec identifikácie odtlačku prsta. Táto technika môže zachytiť molekuly obsiahnuté vo vnútri odtlačku prsta, vrátane lipidov, proteínov, genetického materiálu alebo dokonca stopových množstiev výbušnín, ktoré sa môžu ďalej analyzovať. Nový nástroj v podstate odstraňuje záhadu z identifikácie chemického zloženia fingerprinkov na miestach činu.
Nástroj zaostruje laser pomocou zrkadiel a optických vlákien na povrch, ktorý obsahuje odtlačok prsta. Laser potom zahreje všetku vodu alebo vlhkosť na povrchu a vyvolá chemické väzby vo vode, aby sa roztiahol a vibroval, podľa blogu LSU College of Science. Celá táto zameraná energia spôsobuje, že voda „exploduje“, premieňa ju na plyn a oddeľuje biomolekuly, ako je DNA. Tento proces sa nazýva laserová ablácia.
Ďalej malý systém vákuovej pumpy vtiahne vodu a molekuly do malého filtra, ktorý zachytí všetko, čo po sebe zanecháva prst osoby. Forenzní vedci potom môžu vložiť obsah do analytického zariadenia, ako je hmotnostný spektrometer alebo plynová chromatografia - hmotnostný spektrometer.
Dôležité je, že táto laserová ablačná technika môže ľahko zachytiť prstové značky na poréznych povrchoch, ako je kartón (na ktorom tradičné forenzné metódy neboli veľmi úspešné).
Na vyskúšanie svojej novej techniky umiestnili vedci prstové značky na mnoho rôznych typov povrchov vrátane skla, plastu, hliníka a lepenky. Tieto prstové značky boli podľa LSU College of Science Blog priviazané k látkam rôznorodým ako kofeín, antiseptický krém, mazadlá na kondómy a TNT. Po každom zachytení prstom boli chemici schopní identifikovať tieto látky pomocou hmotnostnej spektrometrie.
