Cos’è la chimica?

Potresti pensare alla chimica solo nel contesto di test di laboratorio, additivi alimentari o sostanze pericolose, ma il campo della chimica coinvolge tutto ciò che ci circonda.

“Tutto ciò che sentite, vedete, annusate, assaggiate e toccate coinvolge la chimica e i prodotti chimici (materia)”, secondo l’American Chemical Society (ACS), un’organizzazione scientifica no-profit per il progresso della chimica, fondata dal Congresso degli Stati Uniti. “E sentire, vedere, assaggiare e toccare coinvolgono tutte serie intricate di reazioni chimiche e interazioni nel tuo corpo.”

Quindi, anche se non lavori come chimico, stai facendo chimica, o qualcosa che coinvolge la chimica, praticamente in ogni cosa che fai. Nella vita di tutti i giorni, si fa chimica quando si cucina, quando si usano detergenti per pulire il bancone, quando si prendono medicine o quando si diluisce un succo concentrato in modo che il sapore non sia così intenso.

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Secondo l’ACS, la chimica è lo studio della materia, definita come tutto ciò che ha massa e occupa spazio, e i cambiamenti che la materia può subire quando è soggetta a diversi ambienti e condizioni. La chimica cerca di capire non solo le proprietà della materia, come la massa o la composizione di un elemento chimico, ma anche come e perché la materia subisce certi cambiamenti – se qualcosa si è trasformato perché si è combinato con un’altra sostanza, si è congelato perché è stato lasciato per due settimane in un freezer, o ha cambiato colore perché è stato esposto a troppa luce solare.

Fondamenti di chimica

Il motivo per cui la chimica tocca tutto ciò che facciamo è che quasi tutto ciò che esiste può essere scomposto in elementi chimici.

I principali elementi della chimica sono gli elementi chimici, che sono sostanze fatte di un singolo atomo. Ogni elemento chimico è unico, composto da un certo numero di protoni, neutroni ed elettroni, ed è identificato da un nome e da un simbolo chimico, come “C” per il carbonio. Gli elementi che gli scienziati hanno scoperto finora sono elencati nella tavola periodica degli elementi, e comprendono sia elementi che si trovano in natura come il carbonio, l’idrogeno e l’ossigeno, sia quelli che sono prodotti dall’uomo, come il laurenzio.

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Gli elementi chimici possono legarsi insieme per formare composti chimici, che sono sostanze fatte di più elementi, come l’anidride carbonica (che è fatta di un atomo di carbonio collegato a due atomi di ossigeno), o più atomi di un singolo elemento, come il gas ossigeno (che è fatto di due atomi di ossigeno collegati insieme). Questi composti chimici possono poi legarsi con altri composti o elementi per formare innumerevoli altre sostanze e materiali.

La chimica è una scienza fisica

La chimica è tipicamente considerata una scienza fisica, come definita dall’Enciclopedia Britannica, perché lo studio della chimica non coinvolge gli esseri viventi. La maggior parte della chimica coinvolta nella ricerca e nello sviluppo, come la fabbricazione di nuovi prodotti e materiali per i clienti, rientra in questo ambito.

Ma la distinzione come scienza fisica diventa un po’ sfocata nel caso della biochimica, che esplora la chimica degli esseri viventi, secondo la Biochemical Society. Le sostanze chimiche e i processi chimici studiati dai biochimici non sono tecnicamente considerati “viventi”, ma la loro comprensione è importante per capire come funziona la vita.

Le cinque branche principali della chimica

Tradizionalmente, la chimica è suddivisa in cinque branche principali, secondo il manuale di chimica online pubblicato da LibreText. Ci sono anche campi più specializzati, come la chimica degli alimenti, la chimica ambientale e la chimica nucleare, ma questa sezione si concentra sulle cinque principali sottodiscipline della chimica.

La chimica analitica coinvolge l’analisi delle sostanze chimiche, e comprende metodi qualitativi come guardare i cambiamenti di colore, così come metodi quantitativi come esaminare l’esatta lunghezza d’onda della luce che una sostanza chimica ha assorbito per provocare quel cambiamento di colore.

Questi metodi permettono agli scienziati di caratterizzare molte proprietà diverse delle sostanze chimiche, e possono beneficiare la società in molti modi. Per esempio, la chimica analitica aiuta le aziende alimentari a rendere più gustose le cene congelate, rilevando come le sostanze chimiche nel cibo cambiano quando vengono congelate nel tempo. La chimica analitica è anche usata per monitorare la salute dell’ambiente misurando le sostanze chimiche nell’acqua o nel suolo, per esempio.

La biochimica, come già detto, usa le tecniche chimiche per capire come funzionano i sistemi biologici a livello chimico. Grazie alla biochimica, i ricercatori sono stati in grado di mappare il genoma umano, capire cosa fanno le diverse proteine nel corpo e sviluppare cure per molte malattie.

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La chimica inorganica studia i composti chimici delle cose inorganiche, o non viventi, come i minerali e i metalli. Tradizionalmente, la chimica inorganica considera i composti che non contengono carbonio (che sono coperti dalla chimica organica), ma questa definizione non è completamente accurata, secondo l’ACS.

Alcuni composti studiati in chimica inorganica, come i “composti organometallici”, contengono metalli, che sono metalli attaccati al carbonio – l’elemento principale che viene studiato in chimica organica. Come tali, composti come questi sono considerati parte di entrambi i campi.

La chimica inorganica è usata per creare una varietà di prodotti, tra cui vernici, fertilizzanti e creme solari.

La chimica organica si occupa dei composti chimici che contengono carbonio, un elemento considerato essenziale per la vita. I chimici organici studiano la composizione, la struttura, le proprietà e le reazioni di tali composti, che insieme al carbonio, contengono altri elementi non-carbonio come idrogeno, zolfo e silicio. La chimica organica è usata in molte applicazioni, come descritto dall’ACS, come la biotecnologia, l’industria petrolifera, i prodotti farmaceutici e la plastica.

La chimica fisica usa concetti della fisica per capire come funziona la chimica. Per esempio, capire come gli atomi si muovono e interagiscono tra loro, o perché alcuni liquidi, tra cui l’acqua, si trasformano in vapore ad alte temperature. I chimici fisici cercano di capire questi fenomeni su scala molto piccola – a livello di atomi e molecole – per trarre conclusioni su come funzionano le reazioni chimiche e cosa dà a materiali specifici le loro proprietà uniche.

Questo tipo di ricerca aiuta a informare altre branche della chimica ed è importante per lo sviluppo del prodotto, secondo l’ACS. Per esempio, i chimici fisici possono studiare come certi materiali, come la plastica, possono reagire con le sostanze chimiche con cui il materiale è progettato per entrare in contatto.

Cosa fanno i chimici?

I chimici lavorano in una varietà di campi, tra cui ricerca e sviluppo, controllo qualità, produzione, protezione ambientale, consulenza e legge. Possono lavorare nelle università, per il governo o nell’industria privata, secondo l’ACS.

Questi sono alcuni esempi di cosa fanno i chimici:

Ricerca e sviluppo

Nel mondo accademico, i chimici che fanno ricerca mirano ad approfondire la conoscenza di un particolare argomento e non hanno necessariamente in mente un’applicazione specifica. I loro risultati, comunque, possono essere applicati a prodotti e applicazioni rilevanti.

Nell’industria, i chimici nella ricerca e sviluppo usano le conoscenze scientifiche per sviluppare o migliorare un prodotto o un processo specifico. Per esempio, i chimici alimentari migliorano la qualità, la sicurezza, la conservazione e il gusto degli alimenti; i chimici farmaceutici sviluppano e analizzano la qualità dei farmaci e di altre formulazioni mediche; e i chimici agricoli sviluppano fertilizzanti, insetticidi ed erbicidi necessari per la produzione di colture su larga scala.

A volte, la ricerca e lo sviluppo possono non coinvolgere il miglioramento del prodotto stesso, ma piuttosto il processo di produzione coinvolto nella realizzazione di quel prodotto. Gli ingegneri chimici e gli ingegneri di processo escogitano nuovi modi per rendere la fabbricazione dei loro prodotti più facile e più conveniente, come ad esempio aumentare la velocità e/o la resa di un prodotto per un determinato budget.

Protezione dell’ambiente

I chimici ambientali studiano come le sostanze chimiche interagiscono con l’ambiente naturale, caratterizzando le sostanze chimiche e le reazioni chimiche presenti nei processi naturali nel suolo, nell’acqua e nell’aria. Per esempio, gli scienziati possono raccogliere suolo, acqua o aria da un luogo di interesse e analizzarlo in laboratorio per determinare se le attività umane hanno contaminato, o contamineranno, l’ambiente o lo influenzano in altri modi. Alcuni chimici ambientali possono anche aiutare a rimediare, o rimuovere i contaminanti, dal suolo, secondo l’U.S. Bureau of Labor Statistics.

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Gli scienziati con un background in chimica ambientale possono anche lavorare come consulenti per varie organizzazioni, come aziende chimiche o società di consulenza, fornendo indicazioni su come le pratiche e le procedure possono essere completate in conformità con i regolamenti ambientali.

Giurisprudenza

I chimici possono usare il loro background accademico per fornire consigli su o difendere questioni scientifiche. Per esempio, i chimici possono lavorare nella proprietà intellettuale, dove possono applicare il loro background scientifico a questioni di copyright nelle scienze, o nel diritto ambientale, dove possono rappresentare gruppi di interesse speciale e chiedere l’approvazione delle agenzie di regolamentazione prima che certe attività abbiano luogo.

I chimici possono anche eseguire analisi che aiutano le forze dell’ordine. I chimici forensi catturano e analizzano le prove fisiche lasciate sulla scena di un crimine per aiutare a determinare l’identità delle persone coinvolte, così come per rispondere ad altre domande vitali su come e perché il crimine è stato compiuto. I chimici forensi usano un’ampia varietà di metodi di analisi, come la cromatografia e la spettrometria, che aiutano a identificare e quantificare le sostanze chimiche.