الكيمياء الحيوية
مع نمو فهم الكيمياء الجامدة خلال القرن التاسع عشر ، أدت محاولات تفسير العمليات الفسيولوجية للكائنات الحية من حيث البنية الجزيئية والتفاعلية إلى انضباط الكيمياء الحيوية. يستخدم علماء الكيمياء الحيوية تقنيات ونظريات الكيمياء لاستكشاف الأساس الجزيئي للحياة. يتم فحص الكائن الحي على أساس أن عملياته الفسيولوجية هي نتيجة عدة آلاف من التفاعلات الكيميائية التي تحدث بطريقة متكاملة للغاية. أسس علماء الكيمياء الحيوية ، من بين أمور أخرى ، المبادئ التي يقوم عليها نقل الطاقة في الخلايا ، التركيب الكيميائي لأغشية الخلايا ، ترميز ونقل المعلومات الوراثية ، وظيفة العضلات والأعصاب ، ومسارات التخليق الحيوي. في الواقع ، تم العثور على الجزيئات الحيوية ذات الصلة للقيام بأدوار مماثلة في الكائنات الحية مثل البكتيريا والبشر. ومع ذلك ، فإن دراسة الجزيئات الحيوية تمثل العديد من الصعوبات. غالبًا ما تكون هذه الجزيئات كبيرة جدًا وتعرض تعقيدًا هيكليًا كبيرًا. علاوة على ذلك ، فإن التفاعلات الكيميائية التي تخضع لها عادة ما تكون سريعة للغاية. يحدث فصل شريطي الحمض النووي ، على سبيل المثال ، في جزء من المليون من الثانية. إن معدلات التفاعل السريعة هذه ممكنة فقط من خلال العمل الوسيط للجزيئات الحيوية التي تسمى الإنزيمات. الإنزيمات هي بروتينات تدين بقدراتها المتسارعة في تسريع المعدل إلى تركيبها الكيميائي ثلاثي الأبعاد. ليس من المستغرب أن الاكتشافات البيوكيميائية كان لها تأثير كبير على فهم وعلاج المرض. تم إرجاع العديد من الأمراض بسبب أخطاء التمثيل الغذائي الفطرية إلى عيوب وراثية محددة. تنتج أمراض أخرى عن اضطرابات في المسارات البيوكيميائية العادية.
تاريخ التكنولوجيا: الكيمياء
تم ذكر مساهمة روبرت بويل في نظرية الطاقة البخارية ، لكن بويل يُعرف على أنه "أب الكيمياء".
في كثير من الأحيان ، يمكن تخفيف الأعراض عن طريق الأدوية ، واكتشاف العوامل العلاجية وطريقة عملها وتدهورها هو أحد المجالات الأخرى للدراسة في الكيمياء الحيوية. يمكن علاج الالتهابات البكتيرية بالسلفوناميدات والبنسلين والتتراسيكلين ، وكشفت الأبحاث عن العدوى الفيروسية عن فعالية الأسيكلوفير ضد فيروس الهربس. هناك الكثير من الاهتمام الحالي بتفاصيل التسبب في السرطان والعلاج الكيميائي للسرطان. من المعروف ، على سبيل المثال ، أن السرطان يمكن أن ينتج عندما تتفاعل الجزيئات المسببة للسرطان ، أو المسرطنة كما يطلق عليها ، مع الأحماض النووية والبروتينات وتتداخل مع طرق عملها الطبيعية. طور الباحثون اختبارات يمكن أن تحدد الجزيئات التي من المحتمل أن تكون مسرطنة. الأمل ، بالطبع ، هو أن التقدم في الوقاية والعلاج من السرطان سوف يتسارع بمجرد فهم الأساس الكيميائي الحيوي للمرض بشكل كامل.
إن الأساس الجزيئي للعمليات البيولوجية هو ميزة أساسية للتخصصات سريعة النمو في علم الأحياء الجزيئي والتكنولوجيا الحيوية. طورت الكيمياء طرقًا لتحديد بنية البروتينات والحمض النووي بشكل سريع ودقيق. بالإضافة إلى ذلك ، يتم ابتكار طرق مخبرية فعالة لتوليف الجينات. في نهاية المطاف ، قد يصبح تصحيح الأمراض الوراثية عن طريق استبدال الجينات المعيبة بجينات طبيعية ممكنًا.
كيمياء البوليمرات
مادة الإيثيلين البسيطة هي غاز يتكون من جزيئات لها الصيغة CH 2 CH 2. في ظل ظروف معينة ، ستنضم العديد من جزيئات الإيثيلين معًا لتشكيل سلسلة طويلة تسمى البولي إيثيلين ، مع الصيغة (CH 2 CH 2) n ، حيث n عبارة عن عدد متغير ولكن كبير. البولي إيثيلين مادة صلبة متينة ومتينة تختلف تمامًا عن الإيثيلين. إنه مثال على البوليمر ، وهو جزيء كبير يتكون من العديد من الجزيئات الأصغر (مونومرات) ، والتي عادة ما تكون مرتبطة ببعضها البعض بطريقة خطية. العديد من المواد التي تحدث بشكل طبيعي ، بما في ذلك السليلوز والنشا والقطن والصوف والمطاط والجلد والبروتينات والحمض النووي ، هي بوليمرات. البولي إيثيلين والنايلون والأكريليك هي أمثلة على البوليمرات الاصطناعية. تقع دراسة هذه المواد في مجال كيمياء البوليمر ، وهو تخصص ازدهر في القرن العشرين. يتداخل التحقيق في البوليمرات الطبيعية إلى حد كبير مع الكيمياء الحيوية ، ولكن توليف البوليمرات الجديدة ، والتحقيق في عمليات البلمرة ، وتوصيف هيكل وخصائص المواد البوليمرية كلها مشكلات فريدة للكيميائيين البوليمر.
قام كيميائيو البوليمرات بتصميم وتصنيع البوليمرات التي تختلف في الصلابة والمرونة ودرجة حرارة التليين والذوبان في الماء والتحلل البيولوجي. لقد أنتجوا مواد بوليمرية قوية مثل الفولاذ لكنها أخف وزنا وأكثر مقاومة للتآكل. يتم الآن إنشاء خطوط أنابيب النفط والغاز الطبيعي والمياه بشكل روتيني من الأنابيب البلاستيكية. في السنوات الأخيرة ، زاد صانعو السيارات استخدامهم للمكونات البلاستيكية لبناء مركبات أخف تستهلك وقودًا أقل. صناعات أخرى مثل تلك التي تعمل في صناعة المنسوجات والمطاط والورق ومواد التغليف مبنية على كيمياء البوليمر.
بالإضافة إلى إنتاج أنواع جديدة من المواد البوليمرية ، يهتم الباحثون بتطوير المحفزات الخاصة التي يتطلبها التركيب الصناعي واسع النطاق للبوليمرات التجارية. بدون هذه المحفزات ، ستكون عملية البلمرة بطيئة جدًا في حالات معينة.
الكيمياء الفيزيائية
تركز العديد من التخصصات الكيميائية ، مثل تلك التي تمت مناقشتها بالفعل ، على فئات معينة من المواد التي تشترك في السمات الهيكلية والكيميائية المشتركة. قد تتركز التخصصات الأخرى ليس على فئة من المواد ولكن على تفاعلاتها وتحولاتها. أقدم هذه المجالات هو الكيمياء الفيزيائية ، التي تسعى لقياس وربط وشرح الجوانب الكمية للعمليات الكيميائية. اكتشف الكيميائي الأنجلو أيرلندي روبرت بويل ، على سبيل المثال ، في القرن السابع عشر أنه في درجة حرارة الغرفة ، يتناقص حجم كمية ثابتة من الغاز بشكل متناسب مع زيادة الضغط عليها. وبالتالي ، بالنسبة للغاز عند درجة حرارة ثابتة ، فإن ناتج حجمه V والضغط P يساوي عددًا ثابتًا ، أي PV = ثابت. هذه العلاقة الحسابية البسيطة صالحة لجميع الغازات تقريبًا في درجة حرارة الغرفة وضغوط تساوي أو تقل عن جو واحد. وقد أظهر العمل اللاحق أن العلاقة تفقد صلاحيتها عند ضغوط أعلى ، ولكن يمكن اشتقاق تعبيرات أكثر تعقيدًا تتطابق بشكل أكبر مع النتائج التجريبية. إن اكتشاف والتحقيق في مثل هذه الانتظامات الكيميائية ، والتي غالبًا ما تسمى قوانين الطبيعة ، تقع في نطاق الكيمياء الفيزيائية. في معظم القرن الثامن عشر ، كان من المفترض أن يكون مصدر الانتظام الرياضي في النظم الكيميائية هو استمرارية القوى والحقول التي تحيط بالذرات المكونة للعناصر والمركبات الكيميائية. ومع ذلك ، أظهرت التطورات في القرن العشرين أن أفضل تفسير للسلوك الكيميائي هو نموذج ميكانيكي كمّي للهيكل الذري والجزيئي. فرع الكيمياء الفيزيائية المكرس إلى حد كبير لهذا الموضوع هو الكيمياء النظرية. يستخدم الكيميائيون النظريون أجهزة الكمبيوتر على نطاق واسع لمساعدتهم على حل المعادلات الرياضية المعقدة. تشمل الفروع الأخرى للكيمياء الفيزيائية الديناميكا الحرارية الكيميائية ، والتي تتعامل مع العلاقة بين الحرارة والأشكال الأخرى للطاقة الكيميائية ، والحركية الكيميائية ، التي تسعى إلى قياس وفهم معدلات التفاعلات الكيميائية. تبحث الكيمياء الكهربائية في العلاقة المتبادلة بين التيار الكهربائي والتغير الكيميائي. يؤدي مرور تيار كهربائي من خلال محلول كيميائي إلى حدوث تغيرات في المواد المكونة التي غالبًا ما تكون قابلة للانعكاس - أي ، في ظل ظروف مختلفة ، ستنتج المواد المتغيرة نفسها تيارًا كهربائيًا. تحتوي البطاريات الشائعة على مواد كيميائية ، عند وضعها على اتصال مع بعضها البعض عن طريق إغلاق دائرة كهربائية ، ستوفر التيار بجهد ثابت حتى يتم استهلاك المواد. في الوقت الحاضر ، هناك اهتمام كبير بالأجهزة التي يمكنها استخدام الطاقة في ضوء الشمس لدفع التفاعلات الكيميائية التي تكون منتجاتها قادرة على تخزين الطاقة. إن اكتشاف مثل هذه الأجهزة سيجعل من الممكن استخدام الطاقة الشمسية على نطاق واسع.
هناك العديد من التخصصات الأخرى في الكيمياء الفيزيائية التي تهتم أكثر بالخصائص العامة للمواد والتفاعلات بين المواد أكثر من المواد نفسها. الكيمياء الضوئية هي تخصص يبحث في تفاعل الضوء مع المادة. يمكن أن تكون التفاعلات الكيميائية التي يبدأها امتصاص الضوء مختلفة تمامًا عن تلك التي تحدث بوسائل أخرى. فيتامين د ، على سبيل المثال ، يتشكل في جسم الإنسان عندما يمتص الستيرويد إرجوستيرول الإشعاع الشمسي. لا يتغير ergosterol إلى فيتامين D في الظلام.
إن الكيمياء الفرعية التي تتطور بسرعة في الكيمياء الفيزيائية هي الكيمياء السطحية. يدرس خصائص الأسطح الكيميائية ، ويعتمد بشكل كبير على الأدوات التي يمكن أن توفر ملفًا كيميائيًا لهذه الأسطح. عندما تتعرض المادة الصلبة لسائل أو غاز ، يحدث تفاعل في البداية على سطح المادة الصلبة ، ويمكن أن تتغير خصائصه بشكل كبير نتيجة لذلك. الألومنيوم مثال على ذلك: إنه مقاوم للتآكل على وجه التحديد لأن سطح المعدن النقي يتفاعل مع الأكسجين لتكوين طبقة من أكسيد الألومنيوم ، والتي تعمل على حماية الجزء الداخلي من المعدن من مزيد من الأكسدة. تؤدي محفزات التفاعل العديدة وظيفتها من خلال توفير سطح تفاعلي تتفاعل فيه المواد.
