Czym jest chemia?

Możesz myśleć o chemii tylko w kontekście testów laboratoryjnych, dodatków do żywności lub substancji niebezpiecznych, ale dziedzina chemii obejmuje wszystko, co nas otacza.

„Wszystko, co słyszysz, widzisz, wąchasz, smakujesz i dotykasz wiąże się z chemią i chemikaliami (materią)”, według Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego (ACS), organizacji naukowej non-profit działającej na rzecz rozwoju chemii, zarejestrowanej przez Kongres Stanów Zjednoczonych. „A słyszenie, widzenie, smakowanie i dotykanie wiążą się z zawiłymi seriami reakcji chemicznych i interakcji w twoim ciele.”

Więc, nawet jeśli nie pracujesz jako chemik, zajmujesz się chemią lub czymś, co wiąże się z chemią, prawie we wszystkim, co robisz. W życiu codziennym, robisz chemię, kiedy gotujesz, kiedy używasz detergentów do czyszczenia, aby wytrzeć swój licznik, kiedy bierzesz lekarstwa lub kiedy rozcieńczasz skoncentrowany sok, aby smak nie był tak intensywny.

Powiązane: Whoa! Ogromna eksplozja „waty cukrowej” w laboratorium chemicznym dla dzieci

Według ACS, chemia to nauka o materii, definiowanej jako wszystko, co ma masę i zajmuje przestrzeń, oraz o zmianach, jakim materia może podlegać, gdy jest poddawana różnym środowiskom i warunkom. Chemia stara się zrozumieć nie tylko właściwości materii, takie jak masa czy skład pierwiastka chemicznego, ale także to, jak i dlaczego materia ulega pewnym zmianom – czy coś się przekształciło, ponieważ połączyło się z inną substancją, zamarzło, ponieważ zostało pozostawione na dwa tygodnie w zamrażarce, czy zmieniło kolory, ponieważ zostało wystawione na zbyt silne działanie promieni słonecznych.

Podstawy chemii

Powodem, dla którego chemia dotyka wszystkiego, co robimy, jest to, że prawie wszystko, co istnieje, może być rozbite na chemiczne bloki konstrukcyjne.

Głównymi blokami konstrukcyjnymi w chemii są pierwiastki chemiczne, które są substancjami zbudowanymi z jednego atomu. Każdy związek chemiczny jest unikalny, składa się z określonej liczby protonów, neutronów i elektronów, i jest identyfikowany przez nazwę i symbol chemiczny, taki jak „C” dla węgla. Pierwiastki, które naukowcy odkryli do tej pory, są wymienione w układzie okresowym pierwiastków i obejmują zarówno pierwiastki występujące w przyrodzie, takie jak węgiel, wodór i tlen, jak i te, które zostały stworzone przez człowieka, takie jak Lawrencium.

Powiązane: Jak są pogrupowane pierwiastki w układzie okresowym?

Pierwiastki chemiczne mogą łączyć się ze sobą tworząc związki chemiczne, które są substancjami składającymi się z wielu pierwiastków, takich jak dwutlenek węgla (który jest zrobiony z jednego atomu węgla połączonego z dwoma atomami tlenu), lub wielu atomów jednego pierwiastka, takich jak gazowy tlen (który jest zrobiony z dwóch atomów tlenu połączonych ze sobą). Te związki chemiczne mogą następnie łączyć się z innymi związkami lub pierwiastkami, tworząc niezliczone inne substancje i materiały.

Chemia jest nauką fizyczną

Chemia jest zazwyczaj uważana za naukę fizyczną, zgodnie z definicją Encyklopedii Britannica, ponieważ badanie chemii nie obejmuje żywych istot. Większość chemii zaangażowanej w badania i rozwój, takiej jak tworzenie nowych produktów i materiałów dla klientów, mieści się w tym zakresie.

Ale rozróżnienie jako nauki fizycznej staje się nieco rozmyte w przypadku biochemii, która bada chemię istot żywych, według Towarzystwa Biochemicznego. Chemikalia i procesy chemiczne badane przez biochemików nie są technicznie uważane za „żywe”, ale ich zrozumienie jest ważne dla zrozumienia, jak działa życie.

Pięć głównych gałęzi chemii

Tradycyjnie, chemia jest podzielona na pięć głównych gałęzi, zgodnie z podręcznikiem chemii online opublikowanym przez LibreText. Istnieją również bardziej wyspecjalizowane dziedziny, takie jak chemia żywności, chemia środowiskowa i chemia jądrowa, ale ta sekcja skupia się na pięciu głównych subdyscyplinach chemii.

Chemia analityczna obejmuje analizę chemikaliów i zawiera metody jakościowe, takie jak patrzenie na zmiany koloru, jak również metody ilościowe, takie jak badanie dokładnej długości fali (długości fal) światła, które chemikalia zaabsorbowały, aby spowodować tę zmianę koloru.

Metody te umożliwiają naukowcom scharakteryzowanie wielu różnych właściwości substancji chemicznych i mogą przynieść społeczeństwu wiele korzyści. Na przykład, chemia analityczna pomaga firmom produkującym żywność w tworzeniu smaczniejszych mrożonych obiadów poprzez wykrywanie, jak chemikalia w żywności zmieniają się po zamrożeniu w czasie. Chemia analityczna jest również wykorzystywana do monitorowania zdrowia środowiska poprzez mierzenie zawartości substancji chemicznych w wodzie lub glebie.

Biochemia, jak wspomniano powyżej, wykorzystuje techniki chemiczne do zrozumienia, jak systemy biologiczne działają na poziomie chemicznym. Dzięki biochemii naukowcy byli w stanie stworzyć mapę ludzkiego genomu, zrozumieć, co różne białka robią w organizmie i opracować lekarstwa na wiele chorób.

Powiązane: Unraveling the human genome: 6 molekularnych kamieni milowych

Chemia nieorganiczna bada związki chemiczne w nieorganicznych, lub nieożywionych rzeczach, takich jak minerały i metale. Tradycyjnie, chemia nieorganiczna uważa związki, które nie zawierają węgla (które są objęte chemią organiczną), ale ta definicja nie jest całkowicie dokładna, zgodnie z ACS.

Niektóre związki badane w chemii nieorganicznej, takie jak „związki metaloorganiczne”, zawierają metale, które są metalami przyłączonymi do węgla – głównego elementu badanego w chemii organicznej. Jako takie, związki takie jak te są uważane za część obu dziedzin.

Chemia nieorganiczna jest używana do tworzenia wielu produktów, w tym farb, nawozów i kremów przeciwsłonecznych.

Chemia organiczna zajmuje się związkami chemicznymi, które zawierają węgiel, pierwiastek uważany za niezbędny do życia. Chemicy organiczni badają skład, strukturę, właściwości i reakcje takich związków, które wraz z węglem zawierają inne pierwiastki niewęglowe, takie jak wodór, siarka i krzem. Chemia organiczna jest wykorzystywana w wielu zastosowaniach, opisanych przez ACS, takich jak biotechnologia, przemysł naftowy, farmaceutyki i tworzywa sztuczne.

Chemia fizyczna wykorzystuje pojęcia z fizyki, aby zrozumieć, jak działa chemia. Na przykład, aby dowiedzieć się, jak atomy poruszają się i oddziałują ze sobą, lub dlaczego niektóre ciecze, w tym woda, zamieniają się w parę w wysokich temperaturach. Chemicy fizyczni starają się zrozumieć te zjawiska w bardzo małej skali – na poziomie atomów i cząsteczek – aby wyciągnąć wnioski na temat tego, jak działają reakcje chemiczne i co nadaje konkretnym materiałom ich unikalne właściwości.

Ten rodzaj badań pomaga w informowaniu innych gałęzi chemii i jest ważny dla rozwoju produktów, zgodnie z ACS. Na przykład chemicy fizyczni mogą badać, w jaki sposób pewne materiały, takie jak plastik, mogą reagować z chemikaliami, z którymi materiał ma się stykać.

Co robią chemicy?

Chemicy pracują w różnych dziedzinach, w tym w badaniach i rozwoju, kontroli jakości, produkcji, ochronie środowiska, doradztwie i prawie. Mogą pracować na uniwersytetach, dla rządu lub w przemyśle prywatnym, według ACS.

Oto kilka przykładów tego, czym zajmują się chemicy:

Badania i rozwój

W środowisku akademickim chemicy prowadzący badania mają na celu pogłębienie wiedzy na dany temat i niekoniecznie muszą mieć na myśli konkretne zastosowanie. Ich wyniki można jednak zastosować do odpowiednich produktów i zastosowań.

W przemyśle chemicy pracujący w dziale badań i rozwoju wykorzystują wiedzę naukową do opracowania lub ulepszenia konkretnego produktu lub procesu. Na przykład chemicy zajmujący się żywnością poprawiają jakość, bezpieczeństwo, przechowywanie i smak żywności; chemicy farmaceutyczni opracowują i analizują jakość leków i innych preparatów medycznych; a chemicy rolni opracowują nawozy, środki owadobójcze i chwastobójcze niezbędne do produkcji roślin na dużą skalę.

Czasami badania i rozwój mogą nie dotyczyć ulepszania samego produktu, ale raczej procesu produkcyjnego związanego z wytwarzaniem tego produktu. Inżynierowie chemicy i inżynierowie procesowi opracowują nowe sposoby ułatwienia i zwiększenia opłacalności wytwarzania produktów, takie jak zwiększenie szybkości i/lub wydajności produktu przy danym budżecie.

Ochrona środowiska

Chemicy środowiskowi badają interakcje chemikaliów ze środowiskiem naturalnym, charakteryzując chemikalia i reakcje chemiczne zachodzące w naturalnych procesach w glebie, wodzie i powietrzu. Na przykład, naukowcy mogą zbierać glebę, wodę lub powietrze z interesującego ich miejsca i analizować je w laboratorium, aby ustalić, czy działalność człowieka skaziła lub skazi środowisko lub wpłynie na nie w inny sposób. Niektórzy chemicy środowiskowi mogą również pomóc w remediacji, czyli usuwaniu zanieczyszczeń z gleby, zgodnie z danymi U.S. Bureau of Labor Statistics.

Powiązane: Dlaczego nawóz jest niebezpieczny (infografika)

Naukowcy z wykształceniem w dziedzinie chemii środowiskowej mogą również pracować jako konsultanci dla różnych organizacji, takich jak firmy chemiczne lub firmy konsultingowe, dostarczając wskazówek na temat tego, jak praktyki i procedury mogą być zakończone zgodnie z przepisami dotyczącymi ochrony środowiska.

Prawo

Chemicy mogą wykorzystywać swoje akademickie wykształcenie do udzielania porad lub opowiadania się za kwestiami naukowymi. Na przykład, chemicy mogą pracować w dziedzinie własności intelektualnej, gdzie mogą stosować swoje naukowe wykształcenie do kwestii praw autorskich w nauce, lub w prawie ochrony środowiska, gdzie mogą reprezentować specjalne grupy interesów i składać wnioski o zatwierdzenie przez agencje regulacyjne przed podjęciem pewnych działań.

Chemicy mogą również przeprowadzać analizy, które pomagają w egzekwowaniu prawa. Chemicy kryminalistyczni wychwytują i analizują dowody fizyczne pozostawione na miejscu zbrodni, aby pomóc w ustaleniu tożsamości osób zaangażowanych, a także odpowiedzieć na inne istotne pytania dotyczące tego, jak i dlaczego przestępstwo zostało popełnione. Chemicy kryminalistyczni stosują wiele różnych metod analizy, takich jak chromatografia i spektrometria, które pomagają zidentyfikować i określić ilość substancji chemicznych.