Η χημεία είναι η μελέτη της ύλης, των ιδιοτήτων της, του πώς και γιατί οι ουσίες συνδυάζονται ή διαχωρίζονται για να σχηματίσουν άλλες ουσίες και πώς αλληλεπιδρούν οι ουσίες με την ενέργεια. Πολλοί άνθρωποι σκέφτονται τους χημικούς ως επιστήμονες με λευκή επικάλυψη που αναμιγνύουν παράξενα υγρά σε ένα εργαστήριο, αλλά η αλήθεια είναι ότι είμαστε όλοι οι χημικοί. Η κατανόηση των βασικών εννοιών χημείας είναι σημαντική για σχεδόν κάθε επάγγελμα. Η χημεία είναι μέρος όλων των μέσων μας.
Κάθε υπάρχον υλικό αποτελείται από την ύλη - ακόμα και από το δικό μας σώμα. Η χημεία εμπλέκεται σε όλα όσα κάνουμε, από την καλλιέργεια και το μαγείρεμα των τροφίμων μέχρι τον καθαρισμό των σπιτιών και των σωμάτων μας για την εκτόξευση ενός διαστημικού λεωφορείου. Η χημεία είναι μία από τις φυσικές επιστήμες που μας βοηθούν να περιγράψουμε και να εξηγήσουμε τον κόσμο μας.
Πέντε υποκαταστήματα
Υπάρχουν πέντε κύριοι κλάδοι της χημείας, καθένας από τους οποίους έχει πολλούς τομείς σπουδών.
Αναλυτική Χημεία χρησιμοποιεί ποιοτική και ποσοτική παρατήρηση για τον εντοπισμό και τη μέτρηση των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων των ουσιών. Κατά μία έννοια, όλη η χημεία είναι αναλυτική.
Φυσική χημεία συνδυάζει τη χημεία με τη φυσική. Οι φυσικοί χημικοί μελετούν το πώς αλληλεπιδρούν η ύλη και η ενέργεια. Η θερμοδυναμική και η κβαντική μηχανική είναι δύο από τους σημαντικούς κλάδους της φυσικής χημείας.
Οργανική χημεία Ειδικά μελετά ενώσεις που περιέχουν τον άνθρακα του στοιχείου. Ο άνθρακας έχει πολλές μοναδικές ιδιότητες που του επιτρέπουν να σχηματίζει σύνθετους χημικούς δεσμούς και πολύ μεγάλα μόρια. Η οργανική χημεία είναι γνωστή ως η "Χημεία της Ζωής" επειδή όλα τα μόρια που συνθέτουν ζωντανό ιστό έχουν άνθρακα ως μέρος του μακιγιάζ τους.
Ανόργανη χημεία μελετά υλικά όπως τα μέταλλα και τα αέρια που δεν περιέχουν άνθρακα ως μέρος του μακιγιάζ τους.
Βιοχημεία είναι η μελέτη των χημικών διεργασιών που συμβαίνουν μέσα στους ζωντανούς οργανισμούς.
Πεδία μελέτης
Σε αυτές τις ευρείες κατηγορίες υπάρχουν αμέτρητα πεδία σπουδών, πολλά από τα οποία έχουν σημαντικές επιπτώσεις στην καθημερινότητά μας. Οι χημικοί βελτιώνουν πολλά προϊόντα, από τα τρόφιμα που τρώμε και τα ρούχα που φοράμε στα υλικά με τα οποία χτίζουμε τα σπίτια μας. Η χημεία βοηθά στην προστασία του περιβάλλοντός μας και αναζητά νέες πηγές ενέργειας.
Χημεία τροφίμων
Η επιστήμη των τροφίμων ασχολείται με τα τρία βιολογικά συστατικά των τροφίμων - υδατάνθρακες, λιπίδια και πρωτεΐνες. Οι υδατάνθρακες είναι σάκχαρα και άμυλα, τα χημικά καύσιμα που χρειάζονται για να λειτουργήσουν τα κύτταρα μας. Τα λιπίδια είναι λίπη και έλαια και αποτελούν ουσιαστικά τμήματα των κυτταρικών μεμβρανών και λιπαίνουν και αμβλύνουν τα όργανα μέσα στο σώμα. Επειδή τα λίπη έχουν 2,25 φορές την ενέργεια ανά γραμμάριο από ότι οι υδατάνθρακες ή οι πρωτεΐνες, πολλοί άνθρωποι προσπαθούν να περιορίσουν την πρόσληψή τους για να αποφύγουν να γίνουν υπέρβαρα. Οι πρωτεΐνες είναι σύνθετα μόρια που αποτελούνται από 100 έως 500 ή περισσότερα αμινοξέα που είναι αλυσοδεμένα μαζί και διπλωμένα σε τρισδιάστατα σχήματα απαραίτητα για τη δομή και τη λειτουργία κάθε κυττάρου. Τα σώματά μας μπορούν να συνθέσουν μερικά από τα αμινοξέα. Ωστόσο, οκτώ από αυτά, τα απαραίτητα αμινοξέα, πρέπει να ληφθούν ως μέρος του φαγητού μας. Οι επιστήμονες τροφίμων ασχολούνται επίσης με τα ανόργανα συστατικά των τροφίμων, όπως η περιεκτικότητα σε νερό, τα μέταλλα, οι βιταμίνες και τα ένζυμα.
Οι φαρμακοποιοί τροφίμων βελτιώνουν την ποιότητα, την ασφάλεια, την αποθήκευση και τη γεύση του φαγητού μας. Οι φαρμακοποιοί τροφίμων μπορούν να εργαστούν για την ιδιωτική βιομηχανία για την ανάπτυξη νέων προϊόντων ή τη βελτίωση της επεξεργασίας. Μπορούν επίσης να εργάζονται σε κυβερνητικούς οργανισμούς όπως η Υπηρεσία Τροφίμων και Φαρμάκων για την επιθεώρηση των προϊόντων διατροφής και των χειριστών για να μας προστατεύσουν από τη μόλυνση ή τις επιβλαβείς πρακτικές. Οι φαρμακοποιοί τροφίμων δοκιμάζουν τα προϊόντα για να παρέχουν τις πληροφορίες που χρησιμοποιούνται για τις ετικέτες διατροφής ή για να καθορίσουν τον τρόπο με τον οποίο η συσκευασία και η αποθήκευση επηρεάζουν την ασφάλεια και την ποιότητα των τροφίμων. Οι γευστικές ουσίες δουλεύουν με χημικά για να αλλάξουν τη γεύση των τροφίμων. Οι χημικοί μπορούν επίσης να εργαστούν σε άλλους τρόπους βελτίωσης της αισθητικής απόλαυσης, όπως η ενίσχυση του χρώματος, της οσμής ή της υφής.
Περιβαλλοντική χημεία
Οι περιβαλλοντικοί χημικοί μελετούν τον τρόπο αλληλεπίδρασης των χημικών ουσιών με το φυσικό περιβάλλον. Η χημεία περιβάλλοντος είναι μια διεπιστημονική μελέτη που περιλαμβάνει τόσο την αναλυτική χημεία όσο και την κατανόηση της περιβαλλοντικής επιστήμης. Οι περιβαλλοντικοί χημικοί πρέπει πρώτα να κατανοήσουν τις χημικές και χημικές αντιδράσεις που υπάρχουν στις φυσικές διεργασίες στο νερό και στον αέρα του εδάφους. Η δειγματοληψία και η ανάλυση μπορούν στη συνέχεια να καθορίσουν εάν οι ανθρώπινες δραστηριότητες έχουν μολύνει το περιβάλλον ή έχουν προκαλέσει βλαβερές αντιδράσεις που το επηρεάζουν.
Η ποιότητα του νερού είναι ένας σημαντικός τομέας της περιβαλλοντικής χημείας. Το "καθαρό" νερό δεν υπάρχει στη φύση. πάντα έχει κάποια μέταλλα ή άλλη ουσία διαλυμένη σε αυτό. Οι χημικοί της ποιότητας του νερού δοκιμάζουν ποτάμια, λίμνες και ωκεάνια για χαρακτηριστικά όπως διαλυμένο οξυγόνο, αλατότητα, θολότητα, αιωρούμενα ιζήματα και pH. Το νερό που προορίζεται για κατανάλωση από τον άνθρωπο πρέπει να είναι απαλλαγμένο από επιβλαβείς μολυσματικές ουσίες και μπορεί να υποστεί επεξεργασία με πρόσθετα όπως το φθόριο και το χλώριο για να αυξήσει την ασφάλειά του.
Αγροτική Χημεία
Η γεωργική χημεία ασχολείται με τις ουσίες και τις χημικές αντιδράσεις που σχετίζονται με την παραγωγή, την προστασία και τη χρήση των καλλιεργειών και των ζώων. Είναι ένα πολύ διεπιστημονικό πεδίο που βασίζεται σε δεσμούς με πολλές άλλες επιστήμες. Οι γεωργικοί φαρμακοποιοί μπορούν να συνεργάζονται με το Τμήμα Γεωργίας, τον Οργανισμό Προστασίας του Περιβάλλοντος, τη Διοίκηση Τροφίμων και Φαρμάκων ή για την ιδιωτική βιομηχανία. Οι γεωργοί της χημικής βιομηχανίας αναπτύσσουν λιπάσματα, εντομοκτόνα και ζιζανιοκτόνα απαραίτητα για την παραγωγή σοβαρών καλλιεργειών. Πρέπει επίσης να παρακολουθούν τον τρόπο με τον οποίο χρησιμοποιούνται τα προϊόντα αυτά και τις επιπτώσεις τους στο περιβάλλον. Τα συμπληρώματα διατροφής αναπτύσσονται για να αυξάνουν την παραγωγικότητα των κοπαδιών κρέατος και γαλακτοπαραγωγής.
Η αγροτική βιοτεχνολογία είναι μια ταχέως αναπτυσσόμενη εστίαση για πολλούς γεωργικούς χημικούς. Η γενετική χειραγώγηση των καλλιεργειών που είναι ανθεκτικές στα ζιζανιοκτόνα που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των ζιζανίων στα χωράφια απαιτεί λεπτομερή κατανόηση τόσο των φυτών όσο και των χημικών ουσιών σε μοριακό επίπεδο. Οι βιοχημικοί πρέπει να κατανοήσουν τη γενετική, τη χημεία και τις επιχειρήσεις για να αναπτύξουν καλλιέργειες που είναι ευκολότερες στη μεταφορά ή έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής.
Χημική Μηχανική
Οι χημικοί μηχανικοί ερευνούν και αναπτύσσουν νέα υλικά ή διαδικασίες που περιλαμβάνουν χημικές αντιδράσεις. Η χημική μηχανική συνδυάζει ένα υπόβαθρο στη χημεία με τις τεχνικές και τις οικονομικές έννοιες για την επίλυση τεχνολογικών προβλημάτων. Οι εργασίες χημικής μηχανικής εμπίπτουν σε δύο κύριες κατηγορίες: βιομηχανικές εφαρμογές και ανάπτυξη νέων προϊόντων.
Οι βιομηχανίες απαιτούν από τους χημικούς μηχανικούς να σχεδιάσουν νέους τρόπους για να κάνουν την κατασκευή των προϊόντων τους ευκολότερη και οικονομικά αποδοτικότερη. Οι χημικοί μηχανικοί ασχολούνται με το σχεδιασμό και τη λειτουργία μονάδων επεξεργασίας, με την ανάπτυξη διαδικασιών ασφαλείας για τον χειρισμό επικίνδυνων υλικών και την επίβλεψη της κατασκευής σχεδόν κάθε προϊόντος που χρησιμοποιούμε. Οι χημικοί μηχανικοί εργάζονται για την ανάπτυξη νέων προϊόντων και διαδικασιών σε όλους τους τομείς, από τα φαρμακευτικά προϊόντα μέχρι τα καύσιμα και τα εξαρτήματα ηλεκτρονικών υπολογιστών.
Γεωχημεία
Οι γεωχημικοί συνδυάζουν χημεία και γεωλογία για να μελετήσουν το μακιγιάζ και την αλληλεπίδραση μεταξύ ουσιών που βρίσκονται στη Γη. Οι γεωχημικοί μπορεί να περάσουν περισσότερο χρόνο σε επιτόπιες σπουδές από άλλους τύπους χημικών. Πολλές εργασίες για την Γεωλογική Έρευνα των Η.Π.Α. ή την Υπηρεσία Περιβαλλοντικής Προστασίας για τον προσδιορισμό του τρόπου με τον οποίο οι εξορυκτικές δραστηριότητες και τα απόβλητα μπορούν να επηρεάσουν την ποιότητα του νερού και το περιβάλλον. Μπορούν να ταξιδεύουν σε απομακρυσμένα εγκαταλελειμμένα ορυχεία για να συλλέγουν δείγματα και να εκτελούν άσκοπες εκτιμήσεις πεδίου και στη συνέχεια να ακολουθούν ένα ρεύμα μέσω της λεκάνης απορροής τους για να αξιολογήσουν πώς μεταφέρονται οι ρύποι μέσω του συστήματος. Πετροχημικοί γεωχημικοί απασχολούνται από εταιρείες πετρελαίου και φυσικού αερίου για να βοηθήσουν στην εξεύρεση νέων αποθεμάτων ενέργειας. Μπορούν επίσης να λειτουργούν σε αγωγούς και πετρελαιοφόρα σκάφη για την πρόληψη χημικών αντιδράσεων που θα μπορούσαν να προκαλέσουν εκρήξεις ή διαρροές.
Ιατροδικαστική χημεία
Οι εγκληματολογικοί χημικοί καταγράφουν και αναλύουν τα φυσικά στοιχεία που απομένουν σε μια σκηνή του εγκλήματος για να βοηθήσουν στον προσδιορισμό της ταυτότητας των εμπλεκόμενων ατόμων καθώς και για να απαντήσουν σε άλλα ζωτικά ερωτήματα σχετικά με το πώς και γιατί το έγκλημα διεξήχθη. Οι ιατροδικαστές χρησιμοποιούν μια ευρεία ποικιλία μεθόδων ανάλυσης, όπως χρωματογραφία, φασματομετρία και φασματοσκοπία.
Σε νέα έρευνα που δημοσιεύθηκε στην Εφημερίδα της Αμερικανικής Εταιρείας Φασματομετρίας Μάζας, επιστήμονες από το τμήμα χημείας του Λουιζιάνα State University (LSU) αποφάσισαν να εφαρμόσουν τεχνολογία λέιζερ στον τομέα της ιατροδικαστικής επιστήμης.
Ανέπτυξαν ένα σύστημα που ξεπερνά και πέρα από τον προσδιορισμό ενός δακτυλικού αποτυπώματος. Η τεχνική μπορεί να συλλάβει μόρια που περιέχονται σε ένα δάκτυλο, συμπεριλαμβανομένων των λιπιδίων, των πρωτεϊνών, του γενετικού υλικού ή ακόμη και των ιχνών εκρηκτικών, τα οποία μπορούν να αναλυθούν περαιτέρω. Το νέο εργαλείο ουσιαστικά παίρνει το μυστήριο από την αναγνώριση της χημικής σύνθεσης των fingermarks στις σκηνές του εγκλήματος.
Το εργαλείο εστιάζει ένα λέιζερ που χρησιμοποιεί καθρέπτες και οπτικές ίνες σε μια επιφάνεια που περιέχει ένα δάκτυλο. Το λέιζερ στη συνέχεια θερμαίνει οποιοδήποτε νερό ή υγρασία στην επιφάνεια, προκαλώντας χημικούς δεσμούς στο νερό για να τεντώσει και να δονήσει, σύμφωνα με το LSU College of Science Blog. Όλη αυτή η εστιασμένη ενέργεια αναγκάζει το νερό να "εκραγεί", να το μετατρέψει σε αέριο και να διαχωρίσει βιομόρια όπως το DNA. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται αφαίρεση με λέιζερ.
Στη συνέχεια ένα μικρό σύστημα αντλίας κενού τραβά το νερό και τα μόρια σε ένα μικροσκοπικό φίλτρο που συλλαμβάνει τα πάντα που αφήνονται πίσω από το δάκτυλο ενός ατόμου. Οι εγκληματολόγοι επιστήμονες μπορούν στη συνέχεια να τοποθετήσουν το περιεχόμενο σε μια συσκευή ανάλυσης όπως ένα φασματόμετρο μάζας ή ένα αέριο χρωματογραφία-φασματόμετρο μάζας.
Είναι σημαντικό ότι αυτή η τεχνική αφαίρεσης με λέιζερ μπορεί εύκολα να συλλάβει τα δάχτυλα σε πορώδεις επιφάνειες, όπως το χαρτόνι (στην οποία οι παραδοσιακές ιατροδικαστικές μέθοδοι δεν ήταν πολύ επιτυχημένες).
Για να δοκιμάσουν τη νέα τεχνική τους, οι ερευνητές έβαλαν τα δάχτυλα σε πολλά διαφορετικά είδη επιφανειών, όπως το γυαλί, το πλαστικό, το αλουμίνιο και το χαρτόνι. Αυτά τα δάκτυλα φέρθηκαν με ουσίες τόσο διαφορετικές όπως η καφεΐνη, η αντισηπτική κρέμα, τα λιπαντικά προφυλακτικών και η TNT, σύμφωνα με το LSU College of Science Blog. Μετά από κάθε σύλληψη των δακτύλων, οι χημικοί κατάφεραν να αναγνωρίσουν αυτές τις ουσίες χρησιμοποιώντας φασματομετρία μάζας.
