Chemie je studium hmoty, jejích vlastností, jak a proč se látky kombinují nebo oddělují za vzniku jiných látek a jak interagují s energií. Mnoho lidí si myslí, že chemici jsou bílými vědci míchajícími podivné tekutiny v laboratoři, ale pravdou je, že jsme všichni chemici. Pochopení základních pojmů chemie je důležité pro téměř každou profesi. Chemie je součástí našeho života.
Každý existující materiál je tvořen hmotou - dokonce i našimi vlastními těly. Chemie je zapojena do všeho, co děláme, od pěstování a vaření potravin po čištění našich domů a těl až po spuštění raketoplánu. Chemie je jednou z fyzikálních věd, které nám pomáhají popsat a vysvětlit náš svět.
Pět větví
Existuje pět hlavních oborů chemie, z nichž každá má mnoho oblastí studia.
Analytická chemie používá kvalitativní a kvantitativní pozorování k identifikaci a měření fyzikálních a chemických vlastností látek. V jistém smyslu je veškerá chemie analytická.
Fyzikální chemie kombinuje chemii s fyzikou. Fyzikální chemici studují, jak interakce hmoty a energie. Termodynamika a kvantová mechanika jsou dvě z důležitých odvětví fyzikální chemie.
Organická chemie konkrétně studuje sloučeniny, které obsahují prvek uhlíku. Uhlík má mnoho jedinečných vlastností, které mu umožňují vytvářet komplexní chemické vazby a velmi velké molekuly. Organická chemie je známá jako „Chemie života“, protože všechny molekuly, které tvoří živou tkáň, obsahují uhlík jako součást svého složení.
Anorganická chemie studuje materiály jako kovy a plyny, které neobsahují uhlík jako součást svého složení.
Biochemie je studium chemických procesů, které se vyskytují v živých organismech.
Studijní obory
V těchto širokých kategoriích je bezpočet oborů, z nichž mnohé mají významný dopad na náš každodenní život. Chemici vylepšují mnoho produktů, od potravin, které jíme, a oděvů, které nosíme, až po materiály, se kterými stavíme naše domovy. Chemie pomáhá chránit naše životní prostředí a hledá nové zdroje energie.
Potravinová chemie
Potravinová věda se zabývá třemi biologickými složkami potravy - uhlohydráty, lipidy a bílkoviny. Sacharidy jsou cukry a škroby, chemická paliva potřebná k fungování našich buněk. Lipidy jsou tuky a oleje a jsou nezbytnou součástí buněčných membrán a pro mazání a polštářování orgánů v těle. Protože tuky mají 2,25krát více energie na gram než sacharidy nebo bílkoviny, mnoho lidí se snaží omezit svůj příjem, aby nedošlo k nadváze. Proteiny jsou komplexní molekuly složené ze 100 až 500 nebo více aminokyselin, které jsou spojeny dohromady a složeny do trojrozměrných tvarů nezbytných pro strukturu a funkci každé buňky. Naše těla mohou syntetizovat některé z aminokyselin; osm z nich, esenciální aminokyseliny, je však třeba brát jako součást naší stravy. Vědci potravin se také zabývají anorganickými složkami potravin, jako je obsah vody, minerály, vitamíny a enzymy.
Potravinářské lékárny zlepšují kvalitu, bezpečnost, skladování a chuť našich potravin. Chemici v potravinářství mohou pracovat v soukromém průmyslu na vývoji nových produktů nebo zlepšení zpracování. Mohou také pracovat pro vládní agentury, jako je Food and Drug Administration, aby zkontrolovaly potravinářské výrobky a manipulátory, aby nás chránily před kontaminací nebo škodlivými praktikami. Chemici v potravinářství testují výrobky, aby dodali informace používané na nutričních štítcích nebo aby určili, jak balení a skladování ovlivňuje bezpečnost a kvalitu potravin. Příchutě pracují s chemikáliemi na změně chuti jídla. Chemici mohou také pracovat na jiných způsobech, jak zlepšit smyslové přitažlivost, jako je zlepšení barvy, zápachu nebo textury.
Environmentální chemie
Chemici životního prostředí studují, jak chemikálie interagují s přírodním prostředím. Chemie životního prostředí je interdisciplinární studie, která zahrnuje jak analytickou chemii, tak pochopení environmentální vědy. Chemici životního prostředí musí nejprve pochopit chemické látky a chemické reakce přítomné v přírodních procesech v půdní vodě a vzduchu. Odběr vzorků a analýza pak mohou určit, zda lidské činnosti kontaminovaly životní prostředí nebo způsobily škodlivé reakce, které by jej ovlivňovaly.
Kvalita vody je důležitou oblastí environmentální chemie. „Čistá“ voda v přírodě neexistuje; vždy má v sobě rozpuštěné minerály nebo jiné látky. Chemici na kvalitu vody testují řeky, jezera a mořskou vodu na vlastnosti, jako je rozpuštěný kyslík, slanost, zákal, suspendované sedimenty a pH. Voda určená k lidské spotřebě musí být prostá škodlivých kontaminantů a může být ošetřena aditivy, jako je fluorid a chlor, aby se zvýšila její bezpečnost.
Zemědělská chemie
Zemědělská chemie se zabývá látkami a chemickými reakcemi, které se podílejí na produkci, ochraně a používání plodin a hospodářských zvířat. Je to vysoce interdisciplinární obor, který se spoléhá na vazby na mnoho dalších věd. Zemědělští chemici mohou pracovat s ministerstvem zemědělství, Agenturou pro ochranu životního prostředí, Správou potravin a léčiv nebo pro soukromý průmysl. Zemědělští chemici vyvíjejí hnojiva, insekticidy a herbicidy nezbytné pro velkovýrobu rostlinné výroby. Musí také sledovat, jak se tyto výrobky používají a jejich dopad na životní prostředí. Doplňky výživy jsou vyvinuty ke zvýšení produktivity masa a stád dojnic.
Zemědělská biotechnologie je rychle rostoucím zaměřením mnoha zemědělských chemiků. Geneticky manipulované plodiny odolné vůči herbicidům používaným k ničení plevelů na polích vyžadují podrobné porozumění rostlinám i chemickým látkám na molekulární úrovni. Biochemici musí rozumět genetice, chemii a obchodním potřebám při vývoji plodin, které se snáze přepravují nebo mají delší trvanlivost.
Chemické inženýrství
Chemičtí inženýři zkoumají a vyvíjejí nové materiály nebo procesy, které zahrnují chemické reakce. Chemické inženýrství kombinuje pozadí chemie s inženýrskými a ekonomickými koncepty pro řešení technologických problémů. Práce v chemickém inženýrství spadají do dvou hlavních skupin: průmyslové aplikace a vývoj nových produktů.
Odvětví vyžadují, aby chemičtí inženýři vymýšleli nové způsoby, jak usnadnit a zefektivnit výrobu svých produktů. Chemičtí inženýři se podílejí na navrhování a provozování zpracovatelských závodů, vyvíjejí bezpečnostní postupy pro manipulaci s nebezpečnými materiály a dohlížejí na výrobu téměř každého výrobku, který používáme. Chemičtí inženýři pracují na vývoji nových produktů a procesů ve všech oborech, od léčiv po paliva a počítačové komponenty.
Geochemie
Geochemisté kombinují chemii a geologii a studují makeup a interakci mezi látkami na Zemi. Geochemisté mohou trávit více času v terénních studiích než jiné typy chemiků. Mnoho z nich pracuje pro geologický průzkum USA nebo Agenturu pro ochranu životního prostředí při určování toho, jak těžební operace a odpad mohou ovlivnit kvalitu vody a životní prostředí. Mohou cestovat do vzdálených opuštěných dolů, aby shromáždili vzorky a provedli hodnocení drsného pole, a poté sledovali tok přes jeho rozvodí, aby vyhodnotili, jak se kontaminanty pohybují systémem. Ropné geochemie zaměstnávají ropné a plynárenské společnosti, aby pomohly najít nové energetické rezervy. Mohou také pracovat na potrubí a ropných plošinách, aby zabránily chemickým reakcím, které by mohly způsobit výbuch nebo rozlití.
Forenzní chemie
Forenzní chemici zachycují a analyzují fyzické důkazy zanechané na místě činu, aby pomohli určit totožnost zúčastněných lidí a odpovědět na další zásadní otázky týkající se toho, jak a proč byl trestný čin proveden. Forenzní chemici používají širokou škálu analytických metod, jako je chromatografie, spektrometrie a spektroskopie.
V novém výzkumu, který se objevil v časopise Journal of American Society of Mass Spectrometry, se vědci z katedry chemie na Louisiaské státní univerzitě (LSU) rozhodli aplikovat laserovou technologii na oblast forenzní vědy.
Vyvinuli systém, který jde nad rámec identifikace otisku prstu. Tato technika může zachytit molekuly obsažené v otisku prstu, včetně lipidů, proteinů, genetického materiálu nebo dokonce stopových množství výbušnin, které lze dále analyzovat. Nový nástroj v podstatě odstraní záhadu z identifikace chemického složení fingerprinků na místech činu.
Nástroj zaostří laser - pomocí zrcadel a optických vláken - na povrch obsahující prstovou značku. Laser pak zahřeje jakoukoli vodu nebo vlhkost na povrchu a vyvolá chemické vazby ve vodě, aby se protáhl a vibroval, podle blogu LSU College of Science. Veškerá tato soustředěná energie způsobuje, že voda „exploduje“, přeměňuje ji na plyn a odděluje biomolekuly, jako je DNA. Tento proces se nazývá laserová ablace.
Následně malý systém vakuové pumpy vtáhne vodu a molekuly do malého filtru, který zachycuje vše, co po sobě zanechává lidský prst. Forenzní vědci pak mohou obsah vložit do analytického zařízení, jako je hmotnostní spektrometr nebo plynová chromatografie-hmotnostní spektrometr.
Důležité je, že tato laserová ablační technika může snadno zachytit otisky prstů na porézních površích, jako je karton (na kterém tradiční forenzní metody nebyly příliš úspěšné).
Aby vyzkoušeli svou novou techniku, vědci umístili otisky prstů na mnoho různých typů povrchů, včetně skla, plastu, hliníku a lepenky. Podle fingerprintu LSU College of Science byly tyto otisky prstů spojeny s tak rozmanitými látkami, jako je kofein, antiseptický krém, mazadla na kondom a TNT. Po každém zachycení prstem byli chemici schopni identifikovat tyto látky pomocí hmotnostní spektrometrie.
