Kemi

Biokemi

När förståelsen för livlösa kemi växte under 1800-talet gav försök att tolka de fysiologiska processerna hos levande organismer i form av molekylstruktur och reaktivitet upphov till biokemins disciplin. Biokemister använder tekniker och teorier för kemi för att undersöka livets molekylära bas. En organism undersöks utifrån att dess fysiologiska processer är en följd av många tusentals kemiska reaktioner som sker på ett mycket integrerat sätt. Biokemister har bland annat fastställt principerna som ligger till grund för energiöverföring i celler, cellmembranens kemiska struktur, kodning och överföring av ärftlig information, muskel- och nervfunktion och biosyntetiska vägar. I själva verket har relaterade biomolekyler visat sig uppfylla liknande roller i organismer lika olika som bakterier och människor. Studien av biomolekyler ger emellertid många svårigheter. Sådana molekyler är ofta mycket stora och uppvisar stor strukturell komplexitet; dessutom är de kemiska reaktionerna de genomgår vanligtvis mycket snabba. Separationen av de två DNA-strängarna till exempel sker i en miljonste sekund. Sådana snabba reaktionshastigheter är endast möjliga genom mellanverkan av biomolekyler som kallas enzymer. Enzymer är proteiner som är skyldiga deras anmärkningsvärda hastighetsaccelererande förmåga till deras tredimensionella kemiska struktur. Inte överraskande har biokemiska upptäckter haft stor inverkan på förståelsen och behandlingen av sjukdomar. Många sjukdomar på grund av födda metabolismfel har spårats till specifika genetiska defekter. Andra sjukdomar beror på störningar i normala biokemiska vägar.

teknikhistoria: kemi

Robert Boyle har bidragit till teorin om ångkraften har nämnts, men Boyle är oftare erkänd som "kemiens far".

Ofta kan symtom lindras av läkemedel, och upptäckten, verkningsmetoden och nedbrytningen av terapeutiska medel är ett annat av de viktigaste studierna inom biokemi. Bakterieinfektioner kan behandlas med sulfonamider, penicilliner och tetracykliner, och forskning om virala infektioner har visat effektiviteten av acyklovir mot herpesviruset. Det finns mycket aktuellt intresse för detaljerna om cancerframkallande och kemoterapi mot cancer. Det är till exempel känt att cancer kan uppstå när cancerframkallande molekyler, eller cancerframkallande ämnen som de kallas, reagerar med nukleinsyror och proteiner och stör deras normala verkningsmetoder. Forskare har utvecklat test som kan identifiera molekyler som troligtvis är cancerframkallande. Förhoppningen är naturligtvis att framstegen när det gäller att förebygga och behandla cancer kommer att påskyndas när den biokemiska grunden för sjukdomen förstås mer.

Den molekylära basen för biologiska processer är ett viktigt inslag i de snabbt växande disciplinerna inom molekylärbiologi och bioteknik. Kemi har utvecklat metoder för att snabbt och exakt bestämma strukturen för proteiner och DNA. Dessutom utformas effektiva laboratoriemetoder för syntes av gener. I slutändan kan korrigering av genetiska sjukdomar genom ersättning av defekta gener med normala sådana bli möjlig.

Polymerkemi

Den enkla substansen eten är en gas som består av molekyler med formeln CH ₂ CH ₂. Under vissa förhållanden, kommer många etenmolekyler förenas för att bilda en lång kedja som kallas polyeten, med formeln (CH ₂ CH ₂) _n, där n är en variabel men stort antal. Polyeten är ett tufft, hållbart fast material som är helt annorlunda än eten. Det är ett exempel på en polymer, som är en stor molekyl som består av många mindre molekyler (monomerer), vanligtvis förenade på ett linjärt sätt. Många naturligt förekommande ämnen, inklusive cellulosa, stärkelse, bomull, ull, gummi, läder, proteiner och DNA, är polymerer. Polyeten, nylon och akryl är exempel på syntetiska polymerer. Studien av sådana material ligger inom området för polymerkemi, en specialitet som blomstrade under 1900-talet. Undersökningen av naturliga polymerer överlappar avsevärt med biokemi, men syntesen av nya polymerer, undersökningen av polymerisationsprocesser och karaktäriseringen av strukturen och egenskaperna hos polymera material utgör alla unika problem för polymerkemister.

Polymerkemister har utformat och syntetiserade polymerer som varierar i hårdhet, flexibilitet, mjukningstemperatur, löslighet i vatten och biologisk nedbrytbarhet. De har producerat polymermaterial som är lika starka som stål men ändå lättare och mer motståndskraftiga mot korrosion. Olje-, naturgas- och vattenledningar är nu rutinmässigt konstruerade av plaströr. Under de senaste åren har bilproducenter ökat sin användning av plastkomponenter för att bygga lättare fordon som förbrukar mindre bränsle. Andra industrier såsom de som är involverade i tillverkning av textilier, gummi, papper och förpackningsmaterial bygger på polymerkemi.

Förutom att producera nya typer av polymera material, är forskare bekymrade över att utveckla speciella katalysatorer som krävs av storskalig industriell syntes av kommersiella polymerer. Utan sådana katalysatorer skulle polymerisationsprocessen vara mycket långsam i vissa fall.

Fysisk kemi

Många kemiska discipliner, såsom de som redan diskuterats, fokuserar på vissa materialklasser som har gemensamma strukturella och kemiska egenskaper. Andra specialiteter kan vara inriktade på en klass ämnen utan snarare på deras interaktioner och transformationer. Det äldsta av dessa områden är fysisk kemi, som syftar till att mäta, korrelera och förklara de kvantitativa aspekterna av kemiska processer. Den anglo-irländska kemisten Robert Boyle upptäckte till exempel på 1600-talet att vid rumstemperatur minskar volymen för en fast mängd gas proportionellt när trycket på den ökar. Således, för en gas vid konstant temperatur, är produkten med dess volym V och tryck P lika med ett konstant tal - dvs. PV = konstant. Ett sådant enkelt aritmetiskt förhållande är giltigt för nästan alla gaser vid rumstemperatur och vid tryck lika med eller mindre än en atmosfär. Efterföljande arbete har visat att förhållandet förlorar sin giltighet vid högre tryck, men mer komplicerade uttryck som mer exakt matchar experimentella resultat kan härledas. Upptäckten och utredningen av sådana kemiska regelbundenheter, ofta kallade naturlagar, ligger inom fysisk kemi. Under stora delar av 1700-talet antogs källan till matematisk regelbundenhet i kemiska system vara kontinuum av krafter och fält som omger atomerna som utgör kemiska element och föreningar. Utvecklingen under 1900-talet har emellertid visat att kemiskt beteende bäst tolkas av en kvantmekanisk modell av atom- och molekylstruktur. Den gren av fysisk kemi som till stor del ägnas åt detta ämne är teoretisk kemi. Teoretiska kemister använder omfattande datorer för att hjälpa dem att lösa komplicerade matematiska ekvationer. Andra grenar av fysisk kemi inkluderar kemisk termodynamik, som handlar om förhållandet mellan värme och andra former av kemisk energi, och kemisk kinetik, som syftar till att mäta och förstå graden av kemiska reaktioner. Elektrokemi undersöker sambandet mellan elektrisk ström och kemisk förändring. Genomföring av en elektrisk ström genom en kemisk lösning orsakar förändringar i de bestående ämnena som ofta är reversibla - dvs under olika förhållanden ger de förändrade ämnena själva en elektrisk ström. Vanliga batterier innehåller kemiska ämnen som när de placeras i kontakt med varandra genom att stänga en elektrisk krets kommer att leverera ström vid en konstant spänning tills ämnena förbrukas. För närvarande är det stort intresse för anordningar som kan använda energin i solljus för att driva kemiska reaktioner vars produkter kan lagra energin. Upptäckten av sådana anordningar skulle möjliggöra ett utbrett utnyttjande av solenergi.

Det finns många andra discipliner inom fysisk kemi som handlar mer om ämnets allmänna egenskaper och interaktioner mellan ämnen än med själva ämnena. Fotokemi är en specialitet som undersöker interaktion mellan ljus och materia. Kemiska reaktioner initierade genom absorption av ljus kan skilja sig mycket från de som sker på andra sätt. D-vitamin bildas till exempel i människokroppen när steroid-ergosterolen absorberar solstrålning; ergosterol förändras inte till D-vitamin i mörkret.

En snabbt utvecklande underdisciplin för fysisk kemi är ytkemi. Den undersöker egenskaperna hos kemiska ytor och förlitar sig starkt på instrument som kan ge en kemisk profil för sådana ytor. Närhelst ett fast ämne utsätts för en vätska eller en gas inträffar en reaktion initialt på ytan av det fasta ämnet, och dess egenskaper kan förändras dramatiskt som ett resultat. Aluminium är ett exempel: det är motståndskraftigt mot korrosion, precis för att ytan på den rena metallen reagerar med syre och bildar ett skikt av aluminiumoxid, som tjänar till att skydda metallens inre mot ytterligare oxidation. Många reaktionskatalysatorer utför sin funktion genom att tillhandahålla en reaktiv yta på vilka ämnen kan reagera.