Biokemia
Kun elottoman kemian ymmärtäminen kasvoi 1800-luvulla, yritykset tulkita elävien organismien fysiologisia prosesseja molekyylin rakenteen ja reaktiivisuuden perusteella saivat aikaan biokemian tutkimuksen. Biokemikot käyttävät kemian tekniikoita ja teorioita elämän molekyylin perustan koettamiseen. Organismia tutkitaan sillä oletuksella, että sen fysiologiset prosessit ovat seurausta monista tuhansista kemiallisista reaktioista, jotka tapahtuvat erittäin integroituneella tavalla. Biokeemikot ovat vahvistaneet muun muassa periaatteet, jotka perustuvat energiansiirtoon soluissa, solumembraanien kemiallinen rakenne, perinnöllisen tiedon koodaaminen ja siirtäminen, lihasten ja hermojen toiminta sekä biosynteesireitit. Itse asiassa sukulaisten biomolekyylien on havaittu suorittavan samanlaiset roolit niin erilaisissa organismeissa kuin bakteerit ja ihmiset. Biomolekyylien tutkiminen aiheuttaa kuitenkin monia vaikeuksia. Tällaiset molekyylit ovat usein erittäin suuria ja niillä on suuri rakenteellinen monimutkaisuus; lisäksi niiden suorittamat kemialliset reaktiot ovat yleensä erittäin nopeita. Esimerkiksi kahden DNA-juosteen erottuminen tapahtuu sekunnin miljoonasosassa. Tällaiset nopeat reaktionopeudet ovat mahdollisia vain entsyymien, nimeltään biomolekyylien, välittämän toiminnan kautta. Entsyymit ovat proteiineja, jotka ovat velkaa huomattavan nopeutta kiihdyttävän kykynsä kolmiulotteiseen kemialliseen rakenteeseensa. Ei ole yllättävää, että biokemiallisilla löytöillä on ollut suuri vaikutus sairauden ymmärtämiseen ja hoitoon. Monille sairauksille, jotka johtuvat synnynnäisistä aineenvaihduntavirheistä, on jäljitetty spesifisiin geneettisiin virheisiin. Muut sairaudet johtuvat häiriöistä normaaleissa biokemiallisissa reiteissä.
tekniikan historia: Kemia
Robert Boylen panos höyryvoiman teoriaan on mainittu, mutta Boyle tunnustetaan yleisemmin ”kemian isäksi”.
Usein oireet voidaan lievittää lääkkeillä, ja terapeuttisten aineiden löytäminen, vaikutustapa ja hajoaminen on toinen tärkeimmistä biokemian tutkimusalueista. Bakteeri-infektioita voidaan hoitaa sulfonamideilla, penisillineillä ja tetrasykliineillä, ja virusinfektioiden tutkimukset ovat paljastaneet asykloviirin tehokkuuden herpesvirusta vastaan. Karsinogeneesin ja syöpäkemoterapian yksityiskohdista on nykyisin paljon kiinnostusta. Tiedetään esimerkiksi, että syöpä voi johtaa, kun syöpää aiheuttavat molekyylit tai karsinogeenit, kuten niitä kutsutaan, reagoivat nukleiinihappojen ja proteiinien kanssa ja häiritsevät niiden normaalia toimintatapaa. Tutkijat ovat kehittäneet testejä, joiden avulla voidaan tunnistaa syöpää aiheuttavat molekyylit. Toivottavasti tiedetään, että syövän ehkäisyn ja hoidon edistyminen kiihtyy, kun sairauden biokemialliset perusteet ymmärretään paremmin.
Biologisten prosessien molekyylipohja on olennainen piirre nopeasti kasvavissa molekyylibiologian ja bioteknologian aloissa. Kemia on kehittänyt menetelmiä proteiinien ja DNA: n rakenteen määrittämiseksi nopeasti ja tarkasti. Lisäksi suunnitellaan tehokkaita laboratoriomenetelmiä geenien synteesille. Viime kädessä geneettisten sairauksien korjaus korvaamalla vialliset geenit normaalilla.
Polymeerikemia
Yksinkertainen aine eteeni on kaasulla, joka käsitti molekyylejä, joilla on kaava CH 2 CH 2. Tietyissä olosuhteissa, monet eteeni molekyylit liittyvät yhteen muodostaen pitkän ketjun kutsutaan polyeteeni, jolla on kaava (CH 2 CH 2) n-, jossa n on muuttuja, mutta suuri määrä. Polyeteeni on kova, kestävä kiinteä materiaali, joka on aivan erilainen kuin eteeni. Se on esimerkki polymeeristä, joka on suuri molekyyli, joka koostuu monista pienemmistä molekyyleistä (monomeereistä), jotka on yleensä liitetty yhteen lineaarisesti. Monet luonnossa esiintyvät aineet, mukaan lukien selluloosa, tärkkelys, puuvilla, villa, kumi, nahka, proteiinit ja DNA, ovat polymeerejä. Polyeteeni, nylon ja akryylit ovat esimerkkejä synteettisistä polymeereistä. Tällaisten materiaalien tutkiminen kuuluu polymeerikemiaan, erikoisuuteen, joka on kukoistanut 1900-luvulla. Luonnollisten polymeerien tutkiminen päällekkäin huomattavasti biokemian kanssa, mutta uusien polymeerien synteesi, polymerointiprosessien tutkiminen sekä polymeerimateriaalien rakenteen ja ominaisuuksien karakterisointi aiheuttavat ainutlaatuisia ongelmia polymeerikemisteille.
Polymeerikemikot ovat suunnitelleet ja syntetisoineet polymeerejä, joiden kovuus, joustavuus, pehmenemislämpötila, vesiliukoisuus ja biohajoavuus vaihtelevat. He ovat tuottaneet polymeerimateriaaleja, jotka ovat yhtä vahvoja kuin teräs mutta kevyempiä ja korroosionkestäviä. Öljy-, maakaasu- ja vesiputket rakennetaan nyt rutiininomaisesti muoviputkista. Autonvalmistajat ovat viime vuosina lisänneet muovikomponenttien käyttöä kevyempien ajoneuvojen rakentamiseksi, jotka kuluttavat vähemmän polttoainetta. Muut teollisuudet, kuten tekstiili-, kumi-, paperi- ja pakkausmateriaalien valmistukseen liittyvät teollisuudenalat, perustuvat polymeerikemiaan.
Uuden tyyppisten polymeerimateriaalien tuotannon lisäksi tutkijoiden tavoitteena on kehittää erityisiä katalyyttejä, joita tarvitaan kaupallisten polymeerien laajamittaisessa teollisessa synteesissä. Ilman sellaisia katalyyttejä polymerointiprosessi olisi tietyissä tapauksissa erittäin hidasta.
Fysikaalinen kemia
Monet kemialliset tieteet, kuten jo käsitellyt, keskittyvät tiettyihin materiaaliluokkiin, joilla on yhteiset rakenteelliset ja kemialliset ominaisuudet. Muut erikoisuudet voivat keskittyä ei aineluokkaan, vaan niiden vuorovaikutuksiin ja muutoksiin. Näistä kentistä vanhin on fysikaalinen kemia, jolla pyritään mittaamaan, korreloimaan ja selittämään kemiallisten prosessien kvantitatiiviset näkökohdat. Esimerkiksi anglo-irlantilainen kemisti Robert Boyle löysi 1700-luvulla, että huoneenlämpötilassa kiinteän määrän kaasua pienenee suhteessa sen paineen kasvaessa. Siksi vakiolämpötilassa olevan kaasun tilavuutensa V ja paineen P tulo on vakioarvo - eli PV = vakio. Tällainen yksinkertainen aritmeettinen suhde pätee melkein kaikkiin kaasuihin huoneenlämpötilassa ja paineissa, jotka ovat yhtä tai vähemmän kuin yksi ilmakehä. Seuraava työ on osoittanut, että suhde menettää paikkansa korkeammissa paineissa, mutta voidaan johtaa monimutkaisempia lausekkeita, jotka vastaavat tarkemmin kokeellisia tuloksia. Tällaisten kemiallisten säännöllisyyksien, joita usein kutsutaan luonnonlakeiksi, löytäminen ja tutkiminen kuuluvat fysikaalisen kemian piiriin. Kemiallisten järjestelmien matemaattisen säännöllisyyden lähteen oletettiin olevan suuri osa 1800-luvulta kemiallisia alkuaineita ja yhdisteitä muodostavien atomien ympäröivien voimien ja kenttien jatkuvuus. 1900-luvun kehitys on kuitenkin osoittanut, että kemiallinen käyttäytyminen voidaan parhaiten tulkita atomin ja molekyylin rakenteen kvantmekaanisella mallilla. Fysikaalisen kemian haara, joka on pitkälti omistettu tähän aiheeseen, on teoreettinen kemia. Teoreettiset kemistit käyttävät tietokoneita laajasti auttaakseen heitä ratkaisemaan monimutkaisia matemaattisia yhtälöitä. Muihin fysikaalisen kemian aloihin sisältyy kemiallinen termodynamiikka, joka käsittelee lämmön ja muiden kemiallisen energian muotojen välistä suhdetta, ja kemiallinen kinetiikka, jolla pyritään mittaamaan ja ymmärtämään kemiallisten reaktioiden nopeutta. Sähkökemia tutkii sähkövirran ja kemiallisen muutoksen keskinäisiä suhteita. Sähkövirran kulkeminen kemiallisen liuoksen läpi aiheuttaa muutoksia aineosissa, jotka ovat usein palautuvia - ts. Eri olosuhteissa muutetut aineet itse tuottavat sähkövirran. Tavalliset akut sisältävät kemiallisia aineita, jotka, kun ne saatetaan kosketuksiin toistensa kanssa sulkemalla sähköpiiri, toimittavat virtaa vakiojännitteellä, kunnes aineet kulutetaan. Tällä hetkellä on paljon kiinnostusta laitteisiin, jotka voivat käyttää energiaa auringonvalossa kemiallisten reaktioiden johtamiseen, joiden tuotteet pystyvät varastoimaan energiaa. Tällaisten laitteiden löytäminen mahdollistaisi aurinkoenergian laajan hyödyntämisen.
Fysikaalisessa kemiassa on monia muita tieteenaloja, jotka koskevat enemmän aineiden yleisiä ominaisuuksia ja aineiden välistä vuorovaikutusta kuin itse aineita. Fotokemia on erikoisuus, joka tutkii valon vuorovaikutusta aineen kanssa. Valon absorboitumisen käynnistämät kemialliset reaktiot voivat olla hyvin erilaisia kuin muilla tavoin tapahtuvat. Esimerkiksi D-vitamiini muodostuu ihmiskehossa, kun steroidi ergosteroli imee auringon säteilyä; ergosteroli ei muutu D-vitamiiniksi pimeässä.
Fysikaalisen kemian nopeasti kehittyvä alaosa on pintakemia. Se tutkii kemiallisten pintojen ominaisuuksia luottaen voimakkaasti välineisiin, jotka voivat tuottaa tällaisten pintojen kemiallisen profiilin. Aina kun kiinteä aine altistetaan nesteelle tai kaasulle, reaktio tapahtuu aluksi kiinteän aineen pinnalla, ja sen ominaisuudet voivat muuttua dramaattisesti seurauksena. Alumiini on esimerkki esimerkistä: se on korroosionkestävä juuri siksi, että puhtaan metallin pinta reagoi hapen kanssa muodostaen alumiinioksidikerroksen, joka suojaa metallin sisätilaa lisähapettumiselta. Lukuisat reaktiokatalyytit suorittavat toimintansa tarjoamalla reaktiivisen pinnan, jolle aineet voivat reagoida.
