Scheikunde

Biochemie

Naarmate het begrip van levenloze chemie groeide in de 19e eeuw, ontstonden pogingen om de fysiologische processen van levende organismen te interpreteren in termen van moleculaire structuur en reactiviteit, de discipline van de biochemie. Biochemici gebruiken de technieken en theorieën van de chemie om de moleculaire basis van het leven te onderzoeken. Een organisme wordt onderzocht op het uitgangspunt dat zijn fysiologische processen het gevolg zijn van vele duizenden chemische reacties die op een sterk geïntegreerde manier plaatsvinden. Biochemici hebben onder meer de principes vastgesteld die ten grondslag liggen aan energieoverdracht in cellen, de chemische structuur van celmembranen, de codering en transmissie van erfelijke informatie, spier- en zenuwfunctie en biosynthetische routes. In feite is gebleken dat verwante biomoleculen vergelijkbare rollen vervullen in organismen die zo verschillend zijn als bacteriën en mensen. De studie van biomoleculen levert echter veel moeilijkheden op. Dergelijke moleculen zijn vaak erg groot en vertonen een grote structurele complexiteit; bovendien zijn de chemische reacties die ze ondergaan doorgaans buitengewoon snel. De scheiding van de twee DNA-strengen gebeurt bijvoorbeeld in een miljoenste van een seconde. Dergelijke snelle reactiesnelheden zijn alleen mogelijk door de intermediaire werking van biomoleculen die enzymen worden genoemd. Enzymen zijn eiwitten die hun opmerkelijke snelheidsversnellende eigenschappen te danken hebben aan hun driedimensionale chemische structuur. Het is niet verrassend dat biochemische ontdekkingen een grote invloed hebben gehad op het begrijpen en behandelen van ziekten. Veel aandoeningen als gevolg van aangeboren stofwisselingsfouten zijn terug te voeren op specifieke genetische defecten. Andere ziekten zijn het gevolg van verstoringen in normale biochemische routes.

geschiedenis van de technologie: chemie

De bijdrage van Robert Boyle aan de theorie van stoomkracht is genoemd, maar Boyle wordt vaker erkend als de 'vader van de chemie'.

Vaak kunnen symptomen worden verlicht door medicijnen, en de ontdekking, het werkingsmechanisme en de afbraak van therapeutische middelen is een van de belangrijkste studiegebieden in de biochemie. Bacteriële infecties kunnen worden behandeld met sulfonamiden, penicillines en tetracyclines, en onderzoek naar virale infecties heeft de effectiviteit van aciclovir tegen het herpesvirus aangetoond. Er is veel belangstelling voor de details van carcinogenese en chemotherapie bij kanker. Het is bijvoorbeeld bekend dat kanker kan ontstaan ​​wanneer kankerverwekkende moleculen, of kankerverwekkende stoffen zoals ze worden genoemd, reageren met nucleïnezuren en eiwitten en hun normale werking beïnvloeden. Onderzoekers hebben tests ontwikkeld die moleculen kunnen identificeren die waarschijnlijk kankerverwekkend zijn. De hoop is natuurlijk dat de vooruitgang bij de preventie en behandeling van kanker zal versnellen zodra de biochemische basis van de ziekte beter wordt begrepen.

De moleculaire basis van biologische processen is een essentieel kenmerk van de snelgroeiende disciplines van moleculaire biologie en biotechnologie. Chemie heeft methoden ontwikkeld om snel en nauwkeurig de structuur van eiwitten en DNA te bepalen. Daarnaast worden efficiënte laboratoriummethoden bedacht voor de synthese van genen. Uiteindelijk kan de correctie van genetische ziekten door vervanging van defecte genen door normale genen mogelijk worden.

Polymeerchemie

De eenvoudige stof ethyleen is een gas dat is samengesteld uit moleculen met de formule CH ₂ CH ₂. Onder bepaalde omstandigheden zullen veel ethyleenmoleculen samenkomen om een ​​lange keten genaamd polyethyleen te vormen, met de formule (CH ₂ CH ₂) _n, waarbij n een variabel maar groot aantal is. Polyethyleen is een taai, duurzaam vast materiaal dat nogal verschilt van ethyleen. Het is een voorbeeld van een polymeer, een groot molecuul dat bestaat uit veel kleinere moleculen (monomeren), die meestal lineair met elkaar zijn verbonden. Veel van nature voorkomende stoffen, waaronder cellulose, zetmeel, katoen, wol, rubber, leer, eiwitten en DNA, zijn polymeren. Polyethyleen, nylon en acryl zijn voorbeelden van synthetische polymeren. De studie van dergelijke materialen ligt binnen het domein van de polymeerchemie, een specialiteit die in de 20e eeuw tot grote bloei is gekomen. Het onderzoek van natuurlijke polymeren overlapt aanzienlijk met biochemie, maar de synthese van nieuwe polymeren, het onderzoek van polymerisatieprocessen en de karakterisering van de structuur en eigenschappen van polymere materialen vormen allemaal unieke problemen voor polymeerchemici.

Polymeerchemici hebben polymeren ontworpen en gesynthetiseerd die variëren in hardheid, flexibiliteit, verwekingstemperatuur, oplosbaarheid in water en biologische afbreekbaarheid. Ze hebben polymere materialen geproduceerd die even sterk zijn als staal, maar lichter en beter bestand tegen corrosie. Olie-, aardgas- en waterleidingen zijn nu routinematig geconstrueerd uit plastic buizen. Autofabrikanten hebben de afgelopen jaren meer gebruik gemaakt van plastic onderdelen om lichtere voertuigen te bouwen die minder brandstof verbruiken. Andere industrieën, zoals die welke betrokken zijn bij de vervaardiging van textiel, rubber, papier en verpakkingsmaterialen, zijn gebaseerd op polymeerchemie.

Naast het produceren van nieuwe soorten polymere materialen, houden onderzoekers zich bezig met het ontwikkelen van speciale katalysatoren die nodig zijn voor de grootschalige industriële synthese van commerciële polymeren. Zonder dergelijke katalysatoren zou het polymerisatieproces in bepaalde gevallen erg traag verlopen.

Fysische chemie

Veel chemische disciplines, zoals de reeds besproken, richten zich op bepaalde materiaalklassen met gemeenschappelijke structurele en chemische kenmerken. Andere specialiteiten zijn mogelijk niet gericht op een klasse van stoffen, maar eerder op hun interacties en transformaties. De oudste van deze velden is fysische chemie, die de kwantitatieve aspecten van chemische processen wil meten, correleren en verklaren. Zo ontdekte de Anglo-Ierse chemicus Robert Boyle in de 17e eeuw dat bij kamertemperatuur het volume van een vaste hoeveelheid gas proportioneel afneemt naarmate de druk erop toeneemt. Dus voor een gas met een constante temperatuur is het product van zijn volume V en druk P gelijk aan een constant getal - dwz PV = constant. Zo'n eenvoudige rekenkundige relatie geldt voor bijna alle gassen bij kamertemperatuur en bij drukken gelijk aan of minder dan één atmosfeer. Vervolgwerk heeft aangetoond dat de relatie zijn geldigheid verliest bij hogere druk, maar er kunnen meer gecompliceerde uitdrukkingen worden afgeleid die nauwkeuriger overeenkomen met experimentele resultaten. De ontdekking en het onderzoek van dergelijke chemische regelmatigheden, vaak natuurwetten genoemd, liggen binnen het domein van de fysische chemie. Gedurende een groot deel van de 18e eeuw werd aangenomen dat de bron van wiskundige regelmaat in chemische systemen het continuüm is van krachten en velden die de atomen omringen die chemische elementen en verbindingen vormen. Ontwikkelingen in de 20e eeuw hebben echter aangetoond dat chemisch gedrag het best kan worden geïnterpreteerd door een kwantummechanisch model van atomaire en moleculaire structuur. De tak van de fysische chemie die grotendeels aan dit onderwerp is gewijd, is theoretische chemie. Theoretische chemici maken veelvuldig gebruik van computers om ingewikkelde wiskundige vergelijkingen op te lossen. Andere takken van de fysische chemie omvatten chemische thermodynamica, die zich bezighoudt met de relatie tussen warmte en andere vormen van chemische energie, en chemische kinetiek, die de snelheid van chemische reacties probeert te meten en te begrijpen. Elektrochemie onderzoekt de onderlinge relatie van elektrische stroom en chemische verandering. Het passeren van een elektrische stroom door een chemische oplossing veroorzaakt veranderingen in de samenstellende stoffen die vaak omkeerbaar zijn - dwz onder verschillende omstandigheden zullen de gewijzigde stoffen zelf een elektrische stroom produceren. Gangbare batterijen bevatten chemische stoffen die, wanneer ze met elkaar in contact komen door het sluiten van een elektrisch circuit, stroom zullen leveren met een constante spanning totdat de stoffen worden verbruikt. Op dit moment is er veel belangstelling voor apparaten die de energie in zonlicht kunnen gebruiken om chemische reacties aan te sturen waarvan de producten de energie kunnen opslaan. De ontdekking van dergelijke apparaten zou het wijdverbreide gebruik van zonne-energie mogelijk maken.

Er zijn veel andere disciplines binnen de fysische chemie die zich meer bezighouden met de algemene eigenschappen van stoffen en de interacties tussen stoffen dan met de stoffen zelf. Fotochemie is een specialiteit die de interactie van licht met materie onderzoekt. Chemische reacties die worden geïnitieerd door de absorptie van licht, kunnen heel anders zijn dan die welke op andere manieren plaatsvinden. Vitamine D wordt bijvoorbeeld in het menselijk lichaam gevormd wanneer de steroïde ergosterol zonnestraling absorbeert; ergosterol verandert in het donker niet in vitamine D.

Een zich snel ontwikkelende subdiscipline van fysische chemie is oppervlaktechemie. Het onderzoekt de eigenschappen van chemische oppervlakken, waarbij sterk wordt vertrouwd op instrumenten die een chemisch profiel van dergelijke oppervlakken kunnen bieden. Telkens wanneer een vaste stof wordt blootgesteld aan een vloeistof of een gas, treedt er in eerste instantie een reactie op het oppervlak van de vaste stof op, waardoor de eigenschappen ervan dramatisch kunnen veranderen. Aluminium is een goed voorbeeld: het is juist corrosiebestendig omdat het oppervlak van het zuivere metaal reageert met zuurstof en een laag aluminiumoxide vormt, die dient om de binnenkant van het metaal te beschermen tegen verdere oxidatie. Talrijke reactiekatalysatoren vervullen hun functie door een reactief oppervlak te bieden waarop stoffen kunnen reageren.