Хімія - це вивчення речовини, її властивостей, як і чому речовини поєднуються або відокремлюються, утворюючи інші речовини, і як речовини взаємодіють з енергією. Багато людей думають про хіміків як про вчених з білим покриттям, що змішують дивні рідини в лабораторії, але правда, ми всі хіміки. Розуміння основних понять хімії важливо майже для кожної професії. Хімія - це частина всього нашого життя.
Кожен існуючий матеріал складається з матерії - навіть наших власних тіл. Хімія бере участь у всьому, що ми робимо, від вирощування та приготування їжі до очищення наших будинків і тіл до запуску космічного човника. Хімія - одна з фізичних наук, яка допомагає нам описати і пояснити наш світ.
П'ять гілок
Існує п’ять основних галузей хімії, кожна з яких має багато напрямків вивчення.
Аналітична хімія використовує якісне та кількісне спостереження для виявлення та вимірювання фізичних та хімічних властивостей речовин. У певному сенсі вся хімія є аналітичною.
Фізична хімія поєднує хімію з фізикою. Фізичні хіміки вивчають, як взаємодіють речовина та енергія. Термодинаміка та квантова механіка - дві важливі галузі фізичної хімії.
Органічна хімія спеціально вивчає сполуки, що містять елемент вуглець. Вуглець має безліч унікальних властивостей, які дозволяють йому утворювати складні хімічні зв’язки і дуже великі молекули. Органічна хімія відома як "Хімія життя", оскільки всі молекули, що складають живу тканину, містять вуглець у складі їх макіяжу.
Неорганічна хімія вивчає матеріали, такі як метали та гази, які не мають вуглецю в складі їх макіяжу.
Біохімія це вивчення хімічних процесів, що відбуваються всередині живих організмів.
Сфери дослідження
У межах цих широких категорій існує безліч галузей дослідження, багато з яких мають важливий вплив на наше повсякденне життя. Хіміки вдосконалюють багато продуктів - від їжі, яку ми їмо, і одягу, який ми носимо, до матеріалів, з яких будуємо своє житло. Хімія допомагає захистити наше довкілля та шукає нові джерела енергії.
Хімія їжі
Харчова наука стосується трьох біологічних компонентів їжі - вуглеводів, ліпідів та білків. Вуглеводи - це цукри і крохмалі, хімічні паливи, необхідні для функціонування наших клітин. Ліпіди - це жири та олія, які є найважливішими частинами клітинних мембран, а також для змащування та подушки органів всередині організму. Оскільки жири мають 2,25 рази більше енергії на грам, ніж вуглеводи чи білки, багато людей намагаються обмежити їх споживання, щоб уникнути зайвої ваги. Білки - це складні молекули, що складаються з 100 до 500 або більше амінокислот, які з’єднані ланцюгом і складені в тривимірну форму, необхідну для будови та функції кожної клітини. Наші тіла можуть синтезувати частину амінокислот; однак вісім з них, незамінні амінокислоти, повинні прийматися як частина нашої їжі. Харчові вчені також стурбовані такими неорганічними компонентами їжі, як її вміст у воді, мінерали, вітаміни та ферменти.
Хімічні продукти харчування покращують якість, безпеку, зберігання та смак нашої їжі. Хімічні продукти харчування можуть працювати в приватній галузі для розробки нових продуктів або поліпшення переробки. Вони також можуть працювати для державних органів, таких як Управління з харчових продуктів та лікарських препаратів, щоб перевірити харчові продукти та обробників, щоб захистити нас від забруднення чи шкідливої практики. Хіміки харчових продуктів випробовують продукти для надання інформації, що використовується для етикеток харчування, або для визначення того, як упаковка та зберігання впливають на безпеку та якість продуктів харчування. Ароматизатори працюють з хімікатами, щоб змінити смак їжі. Хіміки можуть також працювати над іншими способами поліпшення сенсорної привабливості, такими як посилення кольору, запаху або текстури.
Хімія навколишнього середовища
Хіміки з навколишнього середовища вивчають, як хімічні речовини взаємодіють із природним середовищем. Екологічна хімія - це міждисциплінарне дослідження, яке включає як аналітичну хімію, так і розуміння екологічної науки. Хіміки навколишнього середовища повинні спочатку зрозуміти хімічні речовини та хімічні реакції, що присутні в природних процесах у ґрунтовій воді та повітрі. Відбір проб та аналіз можуть визначити, чи забруднювала людина навколишнє середовище чи спричиняла шкідливі реакції на них.
Якість води є важливою сферою хімії навколишнього середовища. «Чиста» вода не існує в природі; у ній завжди розчинені якісь мінерали чи інша речовина. Хіміки з якості води перевіряють річки, озера та океанську воду на такі характеристики, як розчинений кисень, солоність, помутніння, завислі відкладення та рН. Вода, призначена для споживання людиною, не повинна містити шкідливих забруднень і може бути оброблена такими добавками, як фтор та хлор для підвищення її безпеки.
Сільськогосподарська хімія
Сільськогосподарська хімія стосується речовин та хімічних реакцій, які пов'язані з виробництвом, охороною та використанням сільськогосподарських культур та худоби. Це дуже міждисциплінарна галузь, яка спирається на зв'язки з багатьма іншими науками. Хіміки сільського господарства можуть співпрацювати з Міністерством сільського господарства, Агентством охорони навколишнього природного середовища, Управлінням харчових продуктів та лікарських засобів або з приватною промисловістю. Хіміки сільського господарства розробляють добрива, інсектициди та гербіциди, необхідні для масштабного виробництва рослинництва. Вони також повинні стежити за тим, як ці продукти використовуються та їх впливом на навколишнє середовище. Харчові добавки розроблені для підвищення продуктивності м'ясного та молочного стада.
Сільськогосподарська біотехнологія - це швидко зростаючий фокус для багатьох хіміків сільського господарства. Генетично маніпулюючи посіви стійкими до гербіцидів, що використовуються для боротьби з бур’янами на полях, потрібно детальне розуміння як рослин, так і хімічних речовин на молекулярному рівні. Біохіміки повинні розуміти генетику, хімію та бізнес, щоб розвивати культури, які легше транспортувати або мають більший термін зберігання.
Хімічна інженерія
Хімічні інженери досліджують та розробляють нові матеріали чи процеси, що передбачають хімічні реакції. Хімічна інженерія поєднує передумови хімії з інженерними та економічними концепціями для вирішення технологічних проблем. Роботи з хімічної інженерії поділяються на дві основні групи: промислове застосування та розробка нових продуктів.
Промисловості вимагають від інженерів-хіміків розробити нові способи зробити виробництво своєї продукції більш легким та економічно вигідним. Інженери-хіміки беруть участь у проектуванні та експлуатації переробних заводів, розробляють процедури безпеки поводження з небезпечними матеріалами та контролюють виробництво майже кожного виробу, який ми використовуємо. Інженери-хіміки працюють над розробкою нових продуктів та процесів у будь-якій галузі: від фармацевтичних препаратів до палив та комп'ютерних компонентів.
Геохімія
Геохіміки поєднують хімію та геологію для вивчення складу та взаємодії між речовинами, виявленими у Землі. Геохіміки можуть проводити більше часу в польових дослідженнях, ніж інші види хіміків. Багато хто працює з американської геологічної служби або з питань охорони навколишнього природного середовища, визначаючи, як гірничі роботи та відходи можуть впливати на якість води та навколишнє середовище. Вони можуть подорожувати у віддалені занедбані міни для збору проб та проведення грубих польових оцінок, а потім слідувати за потоком через його вододіл, щоб оцінити, як забруднювачі переміщуються через систему. Геохіміки нафти працюють у нафтогазових компаніях, щоб допомогти знайти нові запаси енергії. Вони також можуть працювати на трубопроводах і нафтових установках, щоб запобігти хімічним реакціям, які можуть спричинити вибухи або розливи.
Судова хімія
Судові хіміки фіксують та аналізують фізичні докази, залишені на місці злочину, щоб допомогти визначити особу осіб, які беруть участь, а також відповісти на інші життєво важливі питання щодо того, як і чому було вчинено злочин. Судові хіміки використовують найрізноманітніші методи аналізу, такі як хроматографія, спектрометрія та спектроскопія.
У нових дослідженнях, що з'явилися в Журналі Американського товариства масової спектрометрії, вчені кафедри хімії Державного університету Луїзіани (ЛДУ) вирішили застосувати лазерну технологію в галузі криміналістики.
Вони розробили систему, яка виходить за межі ідентифікації відбитка пальця. Методика може захоплювати молекули, що містяться в межах відбитків пальців, включаючи ліпіди, білки, генетичний матеріал або навіть слідові кількості вибухових речовин, які можна буде додатково проаналізувати. Новий інструмент по суті знімає таємницю з визначення хімічного складу відбитків на місцях злочинів.
Інструмент фокусує лазер - за допомогою дзеркал та оптичних волокон - на поверхні, що містить відбиток пальця. Потім лазер нагріває будь-яку воду або вологу на поверхні, викликаючи хімічні зв’язки у воді розтягуватися і вібрувати, згідно з блогом коледжу наук LSU. Вся ця цілеспрямована енергія змушує воду «вибухати», перетворюючи її в газ і відокремлюючи біомолекули, такі як ДНК. Цей процес називається лазерною абляцією.
Далі невелика система вакуумного насоса тягне воду та молекули в крихітний фільтр, який фіксує все, що залишилося людиною пальцем. Потім вчені-криміналісти можуть помістити вміст у такий прилад для аналізу, як мас-спектрометр або газову хроматографію-мас-спектрометр.
Важливо, що ця техніка лазерної абляції дозволяє легко фіксувати відбитки пальців на пористих поверхнях, таких як картон (на якому традиційні криміналістичні методи не мали великого успіху).
Щоб перевірити свою нову техніку, дослідники розмістили відбитки пальців на багатьох різних типах поверхонь, включаючи скло, пластик, алюміній та картон. Ці відбитки пальців були змазані такими ж різноманітними речовинами, як кофеїн, антисептичні креми, мастила для презервативів та TNT, повідомляє Блог коледжу наук LSU. Після кожного захоплення відбитками пальців хіміки змогли ідентифікувати ці речовини за допомогою мас-спектрометрії.
