Biokeemia
Kuna elutu keemia mõistmine 19. sajandil kasvas, andsid biokeemia distsipliini katsed tõlgendada elusorganismide füsioloogilisi protsesse molekuli struktuuri ja reaktsioonivõime osas. Biokeemikud kasutavad elu molekulaarse aluse määramiseks keemia tehnikaid ja teooriaid. Organismi uuritakse eeldusel, et selle füsioloogilised protsessid on tuhandete keemiliste reaktsioonide tagajärg, mis toimuvad väga integreeritud viisil. Biokeemikud on muu hulgas kehtestanud põhimõtted, millest lähtuvad rakkudes energia ülekandmine, rakumembraanide keemiline struktuur, päriliku teabe kodeerimine ja edastamine, lihas- ja närvifunktsioonid ning biosünteesirajad. Tegelikult on leitud, et seotud biomolekulid täidavad sarnast rolli organismides, mis on nii erinevad kui bakteritel ja inimestel. Biomolekulide uurimisel on aga palju raskusi. Sellised molekulid on sageli väga suured ja nende struktuuriline keerukus on suur; peale selle on nende läbitavad keemilised reaktsioonid tavaliselt eriti kiired. Näiteks DNA kahe ahela eraldamine toimub sekundi miljondikuus. Sellised kiired reaktsioonikiirused on võimalikud ainult ensüümideks kutsutavate biomolekulide vahendatud toimimise kaudu. Ensüümid on valgud, mis võlguvad oma kolmemõõtmelise keemilise struktuuri märkimisväärset kiirust kiirendavat võimekust. Pole üllatav, et biokeemilistel avastustel on olnud suur mõju haiguste mõistmisele ja ravile. Paljud vaevused, mis on tingitud kaasasündinud vigadest ainevahetuses, on tuvastatud spetsiifiliste geneetiliste defektide tõttu. Muud haigused tulenevad häiretest normaalsetes biokeemilistes radades.
tehnoloogia ajalugu: keemia
Mainitud on Robert Boyle'i panust auruenergia teooriasse, kuid Boyle'i peetakse sagedamini keemia isaks.
Sageli saab sümptomeid leevendada ravimitega ning raviainete avastamine, toimeviis ja lagunemine on veel üks peamisi biokeemia uuringuvaldkondi. Bakteriaalseid infektsioone saab ravida sulfoonamiidide, penitsilliinide ja tetratsükliinidega ning viirusnakkuste uurimine on näidanud atsükloviiri tõhusust herpesviiruse vastu. Kantserogeneesi ja vähi keemiaravi üksikasjade vastu tuntakse praegu suurt huvi. On näiteks teada, et vähk võib tekkida siis, kui vähki põhjustavad molekulid või kantserogeenid, nagu neid nimetatakse, reageerivad nukleiinhapete ja valkudega ning häirivad nende normaalset toimeviisi. Teadlased on välja töötanud testid, mis võimaldavad tuvastada molekule, mis võivad olla kantserogeensed. Muidugi on lootus, et vähktõve ennetamise ja ravi edusammud kiirenevad, kui haiguse biokeemiline alus on paremini mõistetav.
Bioloogiliste protsesside molekulaarne alus on molekulaarbioloogia ja biotehnoloogia kiiresti arenevate distsipliinide oluline tunnus. Keemia on välja töötanud meetodid valkude ja DNA struktuuri kiireks ja täpseks määramiseks. Lisaks on välja töötatud tõhusad laborimeetodid geenide sünteesiks. Lõppkokkuvõttes võib osutuda võimalikuks geneetiliste haiguste korrigeerimine defektsete geenide asendamisega normaalsetega.
Polümeeride keemia
Lihtne aine etüleeni on gaas koosneb molekulidest valemiga CH 2 CH 2. Teatavatel tingimustel paljude etüleeni molekulid ühinevad ja moodustavad pika ahelaga nimetatakse polüetüleeni, välja valemiga (CH 2 CH 2) n, kus n on varieeruv, kuid suur hulk. Polüetüleen on tugev, vastupidav tahke materjal, mis erineb etüleenist. See on näide polümeerist, mis on suur molekul, mis koosneb paljudest väiksematest molekulidest (monomeeridest) ja on tavaliselt lineaarselt ühendatud. Paljud looduslikult esinevad ained, sealhulgas tselluloos, tärklis, puuvill, vill, kumm, nahk, valgud ja DNA, on polümeerid. Sünteetiliste polümeeride näideteks on polüetüleen, nailon ja akrüül. Selliste materjalide uurimine kuulub polümeerkeemia valdkonda, mis on 20. sajandil õitsenud eriala. Looduslike polümeeride uurimine kattub märkimisväärselt biokeemiaga, kuid uute polümeeride süntees, polümerisatsiooniprotsesside uurimine ning polümeermaterjalide struktuuri ja omaduste kirjeldamine tekitavad polümeeride keemikutele ainulaadseid probleeme.
Polümeeride keemikud on kavandanud ja sünteesinud polümeere, mille kõvadus, elastsus, pehmenemistemperatuur, vees lahustuvus ja biolagunevus on erinevad. Nad on tootnud polümeerseid materjale, mis on sama tugevad kui teras, kuid samas kergemad ja korrosioonikindlamad. Nafta-, maagaasi- ja veetorustikud on nüüd tavapäraselt valmistatud plasttorudest. Viimastel aastatel on autotootjad suurendanud plastkomponentide kasutamist vähem kütust kulutavate sõidukite ehitamiseks. Muud tööstusharud, näiteks tekstiili-, kummi-, paberi- ja pakkematerjalide tootmisega tegelevad ettevõtted, on üles ehitatud polümeeride keemiale.
Lisaks uut tüüpi polümeermaterjalide tootmisele tegelevad teadlased ka spetsiaalsete katalüsaatorite väljatöötamisega, mida on vaja kaubanduslike polümeeride suuremahuliseks tööstuslikuks sünteesiks. Selliste katalüsaatoriteta oleks polümerisatsiooniprotsess teatud juhtudel väga aeglane.
Füüsikaline keemia
Paljud keemiadistsipliinid, näiteks need, millest juba räägiti, keskenduvad teatud materjaliklassidele, millel on ühised struktuurilised ja keemilised omadused. Muud erialad võivad keskenduda mitte ainete klassile, vaid pigem nende koostoimetele ja muundumistele. Nendest väljadest vanim on füüsikaline keemia, mille eesmärk on mõõta, seostada ja selgitada keemiliste protsesside kvantitatiivseid aspekte. Näiteks anglo-iiri keemik Robert Boyle avastas 17. sajandil, et toatemperatuuril väheneb fikseeritud koguse gaasi kogus proportsionaalselt selle rõhu suurenemisega. Seega on konstantsel temperatuuril gaasi korral selle ruumala V ja rõhu P korrutis konstantse arvuga, st PV = konstant. Selline lihtne aritmeetiline suhe kehtib peaaegu kõigi gaaside suhtes toatemperatuuril ja rõhul, mis on võrdne või väiksem kui üks atmosfäär. Hilisemad tööd on näidanud, et suhe kaotab kehtivuse suurema rõhu korral, kuid võib tuletada keerulisemaid väljendeid, mis vastavad eksperimentaalsetele tulemustele täpsemalt. Selliste keemiliste seaduspärasuste, mida sageli nimetatakse loodusseadusteks, avastamine ja uurimine on füüsikalise keemia valdkond. Suure osa 18. sajandist arvati, et keemiliste süsteemide matemaatilise regulaarsuse allikaks on jõudude ja väljade pidevus, mis ümbritsevad keemilisi elemente ja ühendeid moodustavaid aatomeid. 20. sajandi arengud on aga näidanud, et keemilist käitumist saab kõige paremini tõlgendada aatomi ja molekulaarse struktuuri kvantmehaanilise mudeli abil. Füüsikalise keemia haru, mis on suuresti sellele õppeainele pühendatud, on teoreetiline keemia. Teoreetilised keemikud kasutavad arvukalt keerukate matemaatiliste võrrandite lahendamisel arvuteid. Muud füüsikalise keemia harud hõlmavad keemilist termodünaamikat, mis käsitleb soojuse ja muude keemilise energia vormide vahelist suhet, ja keemilist kineetikat, mille eesmärk on mõõta ja mõista keemiliste reaktsioonide kiirust. Elektrokeemia uurib elektrivoolu ja keemiliste muutuste vastastikuseid seoseid. Elektrivoolu läbilaskmine keemilisest lahusest põhjustab koostisosade muutusi, mis on sageli pöörduvad - st erinevates tingimustes annavad muudetud ained ise elektrivoolu. Tavalised akud sisaldavad keemilisi aineid, mis üksteise külge elektriskeemi sulgedes annavad voolu konstantsel pingel kuni ainete tarbimiseni. Praegu tuntakse suurt huvi seadmete vastu, mis saavad päikesevalguses energiat kasutada keemiliste reaktsioonide juhtimiseks ja mille tooted on võimelised energiat salvestama. Selliste seadmete avastamine võimaldaks päikeseenergia laialdast kasutamist.
Füüsikalises keemias on palju muid erialasid, mis käsitlevad pigem ainete üldisi omadusi ja ainetevahelist koostoimet kui aineid endid. Fotokeemia on eriala, mis uurib valguse interaktsiooni ainega. Valguse neeldumisel algatatud keemilised reaktsioonid võivad olla väga erinevad nendest, mis toimuvad muul viisil. Näiteks D-vitamiin moodustub inimkehas siis, kui steroid ergosterool neelab päikesekiirgust; ergosterool ei muutu pimedas D-vitamiiniks.
Füüsikalise keemia kiiresti arenev aladistsipliin on pinnakeemia. Selles uuritakse keemiliste pindade omadusi, tuginedes suuresti vahenditele, mis võivad anda selliste pindade keemilise profiili. Kui tahke aine puutub kokku vedeliku või gaasiga, toimub tahke aine pinnal reaktsioon ja selle omadused võivad selle tagajärjel dramaatiliselt muutuda. Alumiinium on näide: see on korrosioonile vastupidav just seetõttu, et puhta metalli pind reageerib hapnikuga, moodustades alumiiniumoksiidi kihi, mis kaitseb metalli sisemust edasise oksüdeerumise eest. Arvukad reaktsioonikatalüsaatorid täidavad oma funktsiooni, andes reaktiivse pinna, millel ained võivad reageerida.
