Kjemi

biokjemi

Etter hvert som forståelsen av livløs kjemi vokste i løpet av 1800-tallet, ga forsøk på å tolke de fysiologiske prosessene til levende organismer i form av molekylstruktur og reaktivitet opphav til disiplinen biokjemi. Biokjemikere bruker teknikker og teorier om kjemi for å undersøke det molekylære livsgrunnlaget. En organisme blir undersøkt på grunnlag av at dens fysiologiske prosesser er konsekvensen av mange tusen kjemiske reaksjoner som skjer på en svært integrert måte. Biokjemikere har blant annet etablert prinsippene som ligger til grunn for energioverføring i celler, den kjemiske strukturen i cellemembraner, koding og overføring av arvelig informasjon, muskel- og nervefunksjon og biosyntetiske veier. Relaterte biomolekyler har faktisk funnet å utføre lignende roller i organismer så forskjellige som bakterier og mennesker. Studiet av biomolekyler gir imidlertid mange vanskeligheter. Slike molekyler er ofte veldig store og viser stor strukturell kompleksitet; dessuten er de kjemiske reaksjonene de vanligvis er svært raske. Separasjonen av de to DNA-strengene for eksempel skjer i en milliondel av et sekund. Slike raske reaksjonshastigheter er bare mulig gjennom mellomvirkningen av biomolekyler kalt enzymer. Enzymer er proteiner som skylder deres bemerkelsesverdige hastighetsakselererende evner til deres tredimensjonale kjemiske struktur. Ikke overraskende har biokjemiske funn hatt stor innvirkning på forståelsen og behandlingen av sykdom. Mange plager på grunn av medfødte metabolisasjonsfeil er sporet til spesifikke genetiske defekter. Andre sykdommer skyldes forstyrrelser i normale biokjemiske veier.

teknologiens historie: Kjemi

Robert Boyles bidrag til teorien om dampkraft er blitt nevnt, men Boyle er mer ofte anerkjent som "kjemifaren,"

Ofte kan symptomer lindres av medikamenter, og oppdagelsen, virkemåten og nedbrytningen av terapeutiske midler er et annet av de viktigste studiene i biokjemi. Bakterielle infeksjoner kan behandles med sulfonamider, penicilliner og tetracykliner, og forskning på virusinfeksjoner har avdekket effektiviteten av acyclovir mot herpesviruset. Det er mye aktuell interesse for detaljene om karsinogenese og kreftkjemoterapi. Det er for eksempel kjent at kreft kan oppstå når kreftfremkallende molekyler, eller kreftfremkallende stoffer som de kalles, reagerer med nukleinsyrer og proteiner og forstyrrer deres normale virkemåter. Forskere har utviklet tester som kan identifisere molekyler som sannsynligvis er kreftfremkallende. Håpet er selvfølgelig at fremskritt i forebygging og behandling av kreft vil akselerere når det biokjemiske grunnlaget for sykdommen er fullstendig forstått.

Det molekylære grunnlaget for biologiske prosesser er et vesentlig trekk ved de raskt voksende fagområdene molekylærbiologi og bioteknologi. Kjemi har utviklet metoder for raskt og nøyaktig å bestemme strukturen til proteiner og DNA. I tillegg utvikles effektive laboratoriemetoder for syntese av gener. Til syvende og sist kan korreksjon av genetiske sykdommer ved erstatning av mangelfulle gener med normale slike bli mulig.

Polymerkjemi

Den enkle substans etylen er en gass som består av molekyler med formelen CH _2- CH ₂. Under visse forhold, vil mange etylen molekyler gå sammen for å danne en lang kjede kalt polyetylen, med formelen (CH ₂ CH ₂) _n, hvor n er et variabelt, men stort antall. Polyetylen er et tøft, holdbart fast materiale ganske forskjellig fra etylen. Det er et eksempel på en polymer, som er et stort molekyl som består av mange mindre molekyler (monomerer), vanligvis sammenføyd på en lineær måte. Mange naturlig forekommende stoffer, inkludert cellulose, stivelse, bomull, ull, gummi, lær, proteiner og DNA, er polymerer. Polyetylen, nylon og akryl er eksempler på syntetiske polymerer. Studiet av slike materialer ligger innenfor domenet til polymerkjemi, en spesialitet som har blomstret på 1900-tallet. Undersøkelsen av naturlige polymerer overlapper betydelig med biokjemi, men syntesen av nye polymerer, undersøkelsen av polymerisasjonsprosesser og karakteriseringen av strukturen og egenskapene til polymere materialer gir alle unike problemer for polymerkjemikere.

Polymerkjemikere har designet og syntetiserte polymerer som varierer i hardhet, fleksibilitet, mykgjøringstemperatur, oppløselighet i vann og biologisk nedbrytbarhet. De har produsert polymere materialer som er like sterke som stål, men allikevel lettere og mer motstandsdyktige mot korrosjon. Rørledninger for olje, naturgass og vann er nå rutinemessig konstruert av plastrør. De siste årene har bilprodusentene økt bruken av plastkomponenter for å bygge lettere kjøretøy som bruker mindre drivstoff. Andre bransjer som de som er involvert i produksjon av tekstiler, gummi, papir og emballasjematerialer er bygd på polymerkjemi.

Foruten å produsere nye typer polymermaterialer, er forskere opptatt av å utvikle spesielle katalysatorer som kreves av storstilt industriell syntese av kommersielle polymerer. Uten slike katalysatorer ville polymeriseringsprosessen være veldig treg i visse tilfeller.

Fysisk kjemi

Mange kjemiske disipliner, for eksempel de som allerede er diskutert, fokuserer på visse materialklasser som har felles strukturelle og kjemiske trekk. Andre spesialiteter kan være sentrert ikke om en klasse av stoffer, men snarere om deres interaksjoner og transformasjoner. Det eldste av disse feltene er fysisk kjemi, som søker å måle, korrelere og forklare de kvantitative aspektene ved kjemiske prosesser. Den anglo-irske kjemikeren Robert Boyle oppdaget for eksempel på 1600-tallet at ved romtemperatur synker volumet av en fast mengde gass proporsjonalt etter hvert som trykket på den øker. Således, for en gass ved konstant temperatur, tilsvarer produktet med volum V og trykk P et konstant tall - dvs. PV = konstant. Et så enkelt aritmetisk forhold er gyldig for nesten alle gasser ved romtemperatur og ved trykk lik eller mindre enn en atmosfære. Påfølgende arbeid har vist at forholdet mister sin gyldighet ved høyere trykk, men mer kompliserte uttrykk som mer nøyaktig samsvarer med eksperimentelle resultater kan avledes. Oppdagelsen og undersøkelsen av slike kjemiske regulariteter, ofte kalt naturlover, ligger innenfor fysisk kjemi. I store deler av 1700-tallet ble kilden til matematisk regularitet i kjemiske systemer antatt å være kontinuumet av krefter og felt som omgir atomene som utgjør kjemiske elementer og forbindelser. Utviklingen på 1900-tallet har imidlertid vist at kjemisk atferd best tolkes av en kvantemekanisk modell av atom- og molekylstruktur. Den grenen av fysisk kjemi som i stor grad er viet til dette faget, er teoretisk kjemi. Teoretiske kjemikere bruker omfattende datamaskiner for å hjelpe dem med å løse kompliserte matematiske ligninger. Andre grener av fysisk kjemi inkluderer kjemisk termodynamikk, som omhandler forholdet mellom varme og andre former for kjemisk energi, og kjemisk kinetikk, som søker å måle og forstå hastigheten på kjemiske reaksjoner. Elektrokjemi undersøker sammenhengen mellom elektrisk strøm og kjemisk endring. Overføring av en elektrisk strøm gjennom en kjemisk løsning forårsaker endringer i bestanddelene som ofte er reversible - dvs. under forskjellige forhold vil de endrede stoffene i seg selv gi en elektrisk strøm. Vanlige batterier inneholder kjemiske stoffer som, når de plasseres i kontakt med hverandre ved å stenge en elektrisk krets, vil levere strøm med konstant spenning til stoffene er konsumert. For tiden er det stor interesse for apparater som kan bruke energien i sollys for å drive kjemiske reaksjoner hvis produkter er i stand til å lagre energien. Oppdagelsen av slike enheter ville muliggjøre den utbredte bruken av solenergi.

Det er mange andre fagdisipliner innen fysisk kjemi som er mer opptatt av stoffenes generelle egenskaper og interaksjonen mellom stoffene enn med stoffene i seg selv. Fotokjemi er en spesialitet som undersøker interaksjonen mellom lys og materie. Kjemiske reaksjoner initiert av absorpsjon av lys kan være veldig forskjellige fra de som skjer på andre måter. D-vitamin, for eksempel, dannes i menneskekroppen når steroidet ergosterol absorberer solstråling; ergosterol endres ikke til vitamin D i mørket.

En raskt underutvikling av fysisk kjemi er overflatekjemi. Den undersøker egenskapene til kjemiske overflater, og er veldig avhengig av instrumenter som kan gi en kjemisk profil av slike overflater. Hver gang et fast stoff blir utsatt for en væske eller en gass, oppstår det først en reaksjon på overflaten av faststoffet, og dens egenskaper kan endre seg dramatisk som et resultat. Aluminium er et eksempel: det er motstandsdyktig mot korrosjon nettopp fordi overflaten av det rene metallet reagerer med oksygen og danner et lag aluminiumoksyd, som tjener til å beskytte det indre av metallet mot ytterligere oksidasjon. Tallrike reaksjonskatalysatorer utfører sin funksjon ved å tilveiebringe en reaktiv overflate som stoffene kan reagere på.