Wat is chemie?

Je denkt misschien alleen aan chemie in de context van laboratoriumtests, levensmiddelenadditieven of gevaarlijke stoffen, maar het vakgebied van de chemie heeft betrekking op alles om ons heen.

“Alles wat je hoort, ziet, ruikt, proeft en aanraakt, heeft te maken met chemie en chemische stoffen (materie)”, aldus de American Chemical Society (ACS), een non-profitorganisatie voor de bevordering van de chemie, gecharterd door het Amerikaanse Congres. “En horen, zien, proeven en aanraken gaan allemaal gepaard met ingewikkelde reeksen chemische reacties en interacties in je lichaam.”

Dus zelfs als je niet als chemicus werkt, doe je aan chemie, of iets dat met chemie te maken heeft, bij zo’n beetje alles wat je doet. In het dagelijks leven doe je aan scheikunde als je kookt, als je schoonmaakmiddelen gebruikt om je aanrecht mee schoon te vegen, als je medicijnen inneemt of als je geconcentreerd sap verdunt zodat de smaak niet zo intens is.

Gerelateerd: Wauw! Enorme ‘suikerspin’-explosie in scheikundelab

Volgens de ACS is scheikunde de studie van materie, gedefinieerd als alles wat massa heeft en ruimte inneemt, en de veranderingen die materie kan ondergaan als het wordt onderworpen aan verschillende omgevingen en omstandigheden. Scheikunde probeert niet alleen de eigenschappen van materie te begrijpen, zoals de massa of samenstelling van een chemisch element, maar ook hoe en waarom materie bepaalde veranderingen ondergaat – of iets transformeerde omdat het zich met een andere stof combineerde, bevroor omdat het twee weken in een vriezer had gelegen, of van kleur veranderde omdat het aan te veel zonlicht was blootgesteld.

Basisbegrippen van de chemie

De reden waarom chemie alles raakt wat we doen, is dat bijna alles in het bestaan kan worden opgesplitst in chemische bouwstenen.

De belangrijkste bouwstenen in de chemie zijn chemische elementen, dat zijn stoffen die uit één atoom bestaan. Elke chemische stof is uniek, bestaat uit een vast aantal protonen, neutronen en elektronen, en wordt aangeduid met een naam en een chemisch symbool, zoals “C” voor koolstof. De elementen die wetenschappers tot nu toe hebben ontdekt, zijn opgenomen in het periodiek systeem der elementen, en omvatten zowel elementen die in de natuur voorkomen, zoals koolstof, waterstof en zuurstof, als elementen die door de mens zijn gemaakt, zoals Lawrencium.

Gerelateerd: Hoe zijn elementen gegroepeerd in het periodiek systeem?

Scheikundige elementen kunnen zich binden tot chemische verbindingen, dat zijn stoffen die bestaan uit meerdere elementen, zoals koolstofdioxide (dat bestaat uit een koolstofatoom verbonden met twee zuurstofatomen), of uit meerdere atomen van een enkel element, zoals zuurstofgas (dat bestaat uit twee zuurstofatomen die met elkaar verbonden zijn). Deze chemische verbindingen kunnen zich vervolgens binden met andere verbindingen of elementen om talloze andere stoffen en materialen te vormen.

Scheikunde is een natuurwetenschap

Scheikunde wordt doorgaans beschouwd als een natuurwetenschap, zoals gedefinieerd door de Encyclopedia Britannica, omdat bij de studie van scheikunde geen levende wezens betrokken zijn. De meeste chemie die bij onderzoek en ontwikkeling komt kijken, zoals het maken van nieuwe producten en materialen voor klanten, valt binnen dit blikveld.

Maar het onderscheid als natuurwetenschap wordt een beetje vaag in het geval van de biochemie, die de chemie van levende wezens bestudeert, aldus de Biochemical Society. De chemische stoffen en processen die door biochemici worden bestudeerd, worden technisch gezien niet als “levend” beschouwd, maar het begrijpen ervan is belangrijk om te begrijpen hoe het leven werkt.

De vijf hoofdtakken van scheikunde

De scheikunde wordt traditioneel onderverdeeld in vijf hoofdtakken, volgens het online scheikundehandboek dat door LibreText wordt gepubliceerd. Er zijn ook meer gespecialiseerde gebieden, zoals voedingsmiddelenchemie, milieuchemie en nucleaire chemie, maar dit gedeelte richt zich op de vijf belangrijkste subdisciplines van de chemie.

Analytische chemie omvat de analyse van chemische stoffen, en omvat kwalitatieve methoden zoals het kijken naar kleurveranderingen, maar ook kwantitatieve methoden zoals het onderzoeken van de exacte golflengte(n) van het licht dat een chemische stof geabsorbeerd heeft om tot die kleurverandering te leiden.

Deze methoden stellen wetenschappers in staat veel verschillende eigenschappen van chemische stoffen te karakteriseren, en kunnen de samenleving op een aantal manieren ten goede komen. Zo helpt de analytische scheikunde levensmiddelenbedrijven bij het maken van lekkerder diepvriesmaaltijden door te detecteren hoe chemische stoffen in levensmiddelen veranderen wanneer ze in de loop van de tijd worden ingevroren. Analytische chemie wordt ook gebruikt om de gezondheid van het milieu te bewaken door bijvoorbeeld chemische stoffen in water of bodem te meten.

Biochemie, zoals hierboven vermeld, gebruikt scheikundige technieken om te begrijpen hoe biologische systemen op chemisch niveau werken. Dankzij de biochemie hebben onderzoekers het menselijk genoom in kaart kunnen brengen, kunnen ze begrijpen wat verschillende eiwitten in het lichaam doen en hebben ze voor veel ziekten geneesmiddelen kunnen ontwikkelen.

Gerelateerd: Het ontrafelen van het menselijk genoom: 6 moleculaire mijlpalen

Inorganische scheikunde bestudeert de chemische verbindingen in anorganische, of niet-levende dingen, zoals mineralen en metalen. Traditioneel worden onder anorganische scheikunde de verbindingen verstaan die geen koolstof bevatten (die vallen onder organische scheikunde), maar deze definitie is niet helemaal juist, aldus de ACS.

Sommige verbindingen die in de anorganische scheikunde worden bestudeerd, zoals “organometaalverbindingen”, bevatten metalen, dat zijn metalen die aan koolstof zijn gebonden – het belangrijkste element dat in de organische scheikunde wordt bestudeerd. Dergelijke verbindingen worden dan ook tot beide gebieden gerekend.

Anorganische scheikunde wordt gebruikt om allerlei producten te maken, zoals verf, meststoffen en zonnebrandcrème.

Organische scheikunde houdt zich bezig met chemische verbindingen die koolstof bevatten, een element dat als essentieel voor het leven wordt beschouwd. Organische scheikundigen bestuderen de samenstelling, structuur, eigenschappen en reacties van dergelijke verbindingen, die naast koolstof ook andere niet-koolstofelementen bevatten, zoals waterstof, zwavel en silicium. Organische scheikunde wordt, zoals beschreven door de ACS, in veel toepassingen gebruikt, zoals biotechnologie, de aardolie-industrie, farmaceutica en kunststoffen.

Fysische scheikunde maakt gebruik van concepten uit de natuurkunde om te begrijpen hoe scheikunde werkt. Bijvoorbeeld door uit te zoeken hoe atomen bewegen en met elkaar reageren, of waarom sommige vloeistoffen, waaronder water, bij hoge temperaturen in damp veranderen. Fysisch-chemici proberen deze verschijnselen op zeer kleine schaal te begrijpen – op het niveau van atomen en moleculen – om conclusies te trekken over hoe chemische reacties werken en wat specifieke materialen hun eigen unieke eigenschappen geeft.

Dit soort onderzoek helpt andere takken van de chemie te informeren en is belangrijk voor productontwikkeling, aldus de ACS. Fysisch scheikundigen kunnen bijvoorbeeld bestuderen hoe bepaalde materialen, zoals plastic, kunnen reageren met chemische stoffen waarmee het materiaal in contact moet komen.

Wat doen chemici?

Chemisten werken op verschillende terreinen, zoals onderzoek en ontwikkeling, kwaliteitscontrole, fabricage, milieubescherming, advisering en recht. Ze kunnen werken aan universiteiten, voor de overheid of in de particuliere industrie, aldus de ACS.

Hier volgen enkele voorbeelden van wat chemici doen:

Onderzoek en ontwikkeling

In de academische wereld streven chemici die onderzoek doen naar het vergroten van de kennis over een bepaald onderwerp, en hebben ze niet noodzakelijkerwijs een specifieke toepassing in gedachten. Hun resultaten kunnen echter nog steeds worden toegepast op relevante producten en toepassingen.

In de industrie gebruiken chemici in onderzoek en ontwikkeling wetenschappelijke kennis om een specifiek product of proces te ontwikkelen of te verbeteren. Zo verbeteren chemici in de voedingsmiddelenindustrie de kwaliteit, veiligheid, opslag en smaak van voedsel; farmaceutisch scheikundigen ontwikkelen en analyseren de kwaliteit van geneesmiddelen en andere medische formuleringen; en landbouwchemici ontwikkelen meststoffen, insecticiden en herbiciden die nodig zijn voor de grootschalige productie van gewassen.

Soms gaat het bij onderzoek en ontwikkeling niet om de verbetering van het product zelf, maar om het fabricageproces dat bij de vervaardiging van dat product komt kijken. Chemische ingenieurs en procesingenieurs bedenken nieuwe manieren om de fabricage van hun producten gemakkelijker en kosteneffectiever te maken, zoals het verhogen van de snelheid en/of de opbrengst van een product voor een bepaald budget.

Milieubescherming

Milieuchemici bestuderen hoe chemische stoffen interageren met de natuurlijke omgeving, waarbij ze de chemische stoffen en chemische reacties karakteriseren die aanwezig zijn in natuurlijke processen in de bodem, het water en de lucht. Wetenschappers kunnen bijvoorbeeld grond, water of lucht van een interessante plaats verzamelen en deze in een laboratorium analyseren om te bepalen of menselijke activiteiten het milieu hebben verontreinigd of op een andere manier zullen aantasten. Sommige milieuchemici kunnen ook helpen bij het saneren, of het verwijderen van verontreinigende stoffen, uit de bodem, volgens het Amerikaanse Bureau of Labor Statistics.

Gerelateerd: Waarom kunstmest gevaarlijk is (infographic)

Wetenschappers met een achtergrond in milieuchemie kunnen ook werken als consultants voor verschillende organisaties, zoals chemische bedrijven of adviesbureaus, die advies geven over hoe praktijken en procedures kunnen worden voltooid in overeenstemming met de milieuregelgeving.

Wetgeving

Chemisten kunnen hun academische achtergrond gebruiken om advies te geven over of te pleiten voor wetenschappelijke kwesties. Scheikundigen kunnen bijvoorbeeld werken in de intellectuele eigendom, waar ze hun wetenschappelijke achtergrond kunnen toepassen op auteursrechtelijke kwesties in de wetenschap, of in het milieurecht, waar ze speciale belangengroepen kunnen vertegenwoordigen en goedkeuring kunnen vragen van regelgevende instanties voordat bepaalde activiteiten plaatsvinden.

Scheikundigen kunnen ook analyses uitvoeren die de rechtshandhaving helpen. Forensisch scheikundigen vangen en analyseren het fysieke bewijsmateriaal dat op de plaats van een misdrijf is achtergelaten, om de identiteit van de betrokkenen te helpen vaststellen, en om andere belangrijke vragen te beantwoorden over hoe en waarom het misdrijf is gepleegd. Forensisch scheikundigen gebruiken een grote verscheidenheid aan analysemethoden, zoals chromatografie en spectrometrie, die helpen bij het identificeren en kwantificeren van chemische stoffen.