Химия - это изучение вещества, его свойств, как и почему вещества объединяются или разделяются, образуя другие вещества, и как вещества взаимодействуют с энергией. Многие думают, что химики - это ученые в белом халате, которые смешивают в лаборатории странные жидкости, но правда в том, что мы все химики. Понимание основных концепций химии важно практически для любой профессии. Химия является частью всего в нашей жизни.
Каждый существующий материал состоит из материи - даже наших собственных тел. Химия участвует во всем, что мы делаем, от выращивания и приготовления пищи до уборки наших домов и тел и запуска космического челнока. Химия - одна из физических наук, которая помогает нам описывать и объяснять наш мир.
Пять ветвей
Есть пять основных отраслей химии, каждая из которых имеет много областей исследования.
Аналитическая химия использует качественное и количественное наблюдение для определения и измерения физических и химических свойств веществ. В некотором смысле вся химия является аналитической.
Физическая химия сочетает в себе химию с физикой. Физические химики изучают, как материя и энергия взаимодействуют. Термодинамика и квантовая механика являются двумя важными разделами физической химии.
Органическая химия специально изучает соединения, которые содержат элемент углерода. Углерод обладает многими уникальными свойствами, которые позволяют ему образовывать сложные химические связи и очень большие молекулы. Органическая химия известна как «Химия жизни», потому что все молекулы, из которых состоят живые ткани, содержат в своем составе углерод.
Неорганическая химия изучает такие материалы, как металлы и газы, в которых углерод не входит в их состав.
биохимия это изучение химических процессов, которые происходят в живых организмах.
Области исследования
В этих широких категориях находятся бесчисленные области исследований, многие из которых оказывают важное влияние на нашу повседневную жизнь. Химики улучшают многие продукты, от продуктов питания, которые мы едим, и одежды, которую мы носим, до материалов, из которых мы строим наши дома. Химия помогает защитить окружающую среду и ищет новые источники энергии.
Пищевая химия
Наука о продуктах питания имеет дело с тремя биологическими компонентами пищи - углеводами, липидами и белками. Углеводы - это сахара и крахмалы, химическое топливо, необходимое для функционирования наших клеток. Липиды - это жиры и масла, которые являются неотъемлемыми частями клеточных мембран и смазывают и смягчают органы в организме. Поскольку жиры имеют в 2,25 раза больше энергии на грамм, чем углеводы или белки, многие люди пытаются ограничить свое потребление, чтобы избежать избыточного веса. Белки представляют собой сложные молекулы, состоящие из 100-500 или более аминокислот, которые объединены в цепи и сложены в трехмерные формы, необходимые для структуры и функции каждой клетки. Наши тела могут синтезировать некоторые из аминокислот; однако восемь из них, незаменимые аминокислоты, должны приниматься как часть нашей пищи. Пищевые ученые также обеспокоены неорганическими компонентами пищи, такими как содержание воды, минералов, витаминов и ферментов.
Пищевые химики улучшают качество, безопасность, хранение и вкус нашей пищи. Пищевые химики могут работать в частной промышленности для разработки новых продуктов или улучшения обработки. Они также могут работать в государственных учреждениях, таких как Управление по контролю за продуктами и лекарствами, для проверки продуктов питания и обработчиков, чтобы защитить нас от загрязнения или вредных действий. Пищевые химики тестируют продукты, чтобы предоставить информацию, используемую для этикеток питания, или определить, как упаковка и хранение влияют на безопасность и качество продуктов питания. Ароматизаторы работают с химическими веществами, чтобы изменить вкус пищи. Химики могут также работать над другими способами улучшения сенсорной привлекательности, такими как улучшение цвета, запаха или текстуры.
Экологическая химия
Химики-экологи изучают, как химические вещества взаимодействуют с природной средой. Химия окружающей среды - это междисциплинарное исследование, которое включает в себя как аналитическую химию, так и понимание науки об окружающей среде. Химики-экологи должны сначала понять химические и химические реакции, присутствующие в естественных процессах в почве, воде и воздухе. Отбор проб и анализ могут затем определить, не повлияло ли человеческое воздействие на окружающую среду или вызвало ли вредные реакции на нее.
Качество воды является важной областью химии окружающей среды. «Чистая» вода не существует в природе; в нем всегда есть минералы или другие вещества, растворенные в нем. Химики по качеству воды проверяют реки, озера и океанскую воду на такие характеристики, как растворенный кислород, соленость, мутность, взвешенные отложения и pH. Вода, предназначенная для потребления человеком, не должна содержать вредных примесей и может быть обработана такими добавками, как фтор и хлор, для повышения ее безопасности.
Агрохимия
Сельскохозяйственная химия связана с веществами и химическими реакциями, которые связаны с производством, защитой и использованием сельскохозяйственных культур и домашнего скота. Это очень междисциплинарная область, которая опирается на связи со многими другими науками. Сельскохозяйственные химики могут работать с Министерством сельского хозяйства, Агентством по охране окружающей среды, Управлением по контролю за продуктами и лекарствами или частной промышленностью. Сельскохозяйственные химики разрабатывают удобрения, инсектициды и гербициды, необходимые для крупномасштабного растениеводства. Они также должны следить за тем, как используются эти продукты и как они влияют на окружающую среду. Пищевые добавки разработаны для повышения продуктивности мясных и молочных стад.
Сельскохозяйственная биотехнология является быстро растущим направлением для многих сельскохозяйственных химиков. Генетические манипуляции с культурами для устойчивости к гербицидам, используемым для борьбы с сорняками на полях, требуют детального понимания как растений, так и химических веществ на молекулярном уровне. Биохимики должны понимать генетику, химию и бизнес-потребности для создания культур, которые легче транспортировать или имеют более длительный срок хранения.
Химическая инженерия
Инженеры-химики исследуют и разрабатывают новые материалы или процессы, которые включают химические реакции. Химическая инженерия объединяет знания в области химии с инженерными и экономическими концепциями для решения технологических задач. Химическая инженерия делится на две основные группы: промышленное применение и разработка новых продуктов.
Отрасли промышленности требуют, чтобы инженеры-химики разработали новые способы, чтобы сделать их продукцию проще и экономичнее. Инженеры-химики участвуют в проектировании и эксплуатации перерабатывающих предприятий, разрабатывают процедуры безопасности при обращении с опасными материалами и контролируют производство почти каждого продукта, который мы используем. Инженеры-химики работают над разработкой новых продуктов и процессов в каждой области, от фармацевтических препаратов до топлива и компьютерных компонентов.
Геохимия
Геохимики объединяют химию и геологию для изучения состава и взаимодействия веществ, обнаруженных на Земле. Геохимики могут проводить больше времени в полевых исследованиях, чем химики других типов. Многие из них работают в Геологической службе США или в Агентстве по охране окружающей среды, чтобы определить, как добыча полезных ископаемых и отходы могут повлиять на качество воды и окружающую среду. Они могут отправиться в удаленные заброшенные шахты, чтобы собрать пробы и провести грубые полевые оценки, а затем проследовать за потоком через его водораздел, чтобы оценить, как загрязняющие вещества движутся через систему. Нефтяные геохимики работают в нефтегазовых компаниях для поиска новых энергетических запасов. Они также могут работать на трубопроводах и нефтяных вышках, чтобы предотвратить химические реакции, которые могут вызвать взрывы или разливы.
Судебная химия
Судмедэксперты собирают и анализируют вещественные доказательства, оставленные на месте преступления, чтобы помочь определить личности причастных лиц, а также ответить на другие жизненно важные вопросы относительно того, как и почему было совершено преступление. Судмедэксперты используют широкий спектр методов анализа, таких как хроматография, спектрометрия и спектроскопия.
В новом исследовании, опубликованном в Журнале Американского общества масс-спектрометрии, ученые из химического факультета Университета штата Луизиана (LSU) решили применить лазерные технологии в области криминалистики.
Они разработали систему, которая выходит за рамки идентификации отпечатка пальца. Техника может захватывать молекулы, содержащиеся в отпечатке пальца, включая липиды, белки, генетический материал или даже следовые количества взрывчатых веществ, которые могут быть проанализированы. Новый инструмент, по сути, устраняет тайну идентификации химического состава отпечатков пальцев на месте преступления.
Инструмент фокусирует лазер - используя зеркала и оптические волокна - на поверхности, содержащей отпечаток пальца. Затем лазер нагревает любую воду или влагу на поверхности, вызывая химические связи в воде, которые растягиваются и вибрируют, согласно блогу колледжа науки LSU. Вся эта сфокусированная энергия заставляет воду «взрываться», превращая ее в газ и разделяя биомолекулы, такие как ДНК. Этот процесс называется лазерной абляцией.
Затем небольшая вакуумная насосная система вытягивает воду и молекулы в крошечный фильтр, который захватывает все, что осталось от человека. Судмедэксперты могут затем поместить содержимое в устройство анализа, такое как масс-спектрометр или газовый хроматографический масс-спектрометр.
Важно отметить, что этот метод лазерной абляции позволяет легко фиксировать отпечатки пальцев на пористых поверхностях, таких как картон (на которых традиционные методы судебной экспертизы не были очень успешными).
Чтобы проверить их новую технику, исследователи поместили отпечатки пальцев на различные типы поверхностей, включая стекло, пластик, алюминий и картон. Эти отпечатки пальцев были смешаны с такими разнообразными веществами, как кофеин, антисептический крем, смазки для презервативов и тротил, согласно блогу LSU College of Science Blog. После каждого захвата отпечатков пальцев химики смогли идентифицировать эти вещества с помощью масс-спектрометрии.
