Chemie is de studie van materie, haar eigenschappen, hoe en waarom stoffen combineren of scheiden om andere stoffen te vormen, en hoe stoffen met energie interageren. Veel mensen zien scheikundigen als wetenschappers met een witte laag die vreemde vloeistoffen in een laboratorium mengen, maar de waarheid is dat we allemaal chemici zijn. Het begrijpen van elementaire chemieconcepten is belangrijk voor bijna elk beroep. Chemie maakt deel uit van alles in ons leven.
Elk bestaand materiaal bestaat uit materie - zelfs ons eigen lichaam. Chemie is betrokken bij alles wat we doen, van het verbouwen en koken van voedsel tot het schoonmaken van onze huizen en lichamen tot het lanceren van een spaceshuttle. Chemie is een van de natuurwetenschappen die ons helpt onze wereld te beschrijven en uit te leggen.
Vijf vestigingen
Er zijn vijf hoofdtakken van de chemie, die elk veel studiegebieden hebben.
Analytische scheikunde gebruikt kwalitatieve en kwantitatieve observatie om de fysische en chemische eigenschappen van stoffen te identificeren en te meten. In zekere zin is alle chemie analytisch.
Fysische chemie combineert chemie met natuurkunde. Fysisch chemici bestuderen hoe materie en energie op elkaar inwerken. Thermodynamica en kwantummechanica zijn twee van de belangrijke takken van de fysische chemie.
Organische chemie bestudeert specifiek verbindingen die het element koolstof bevatten. Koolstof heeft veel unieke eigenschappen waardoor het complexe chemische bindingen en zeer grote moleculen kan vormen. Organische chemie staat bekend als de 'chemie van het leven' omdat alle moleculen waaruit levend weefsel bestaat, koolstof bevatten als onderdeel van hun samenstelling.
Anorganische scheikunde bestudeert materialen zoals metalen en gassen die geen koolstof bevatten als onderdeel van hun samenstelling.
Biochemie is de studie van chemische processen die plaatsvinden in levende organismen.
Vakgebieden
Binnen deze brede categorieën zijn talloze studierichtingen, waarvan vele belangrijke effecten hebben op ons dagelijks leven. Chemici verbeteren veel producten, van het voedsel dat we eten en de kleding die we dragen tot de materialen waarmee we onze huizen bouwen. Chemie helpt ons milieu te beschermen en zoekt naar nieuwe energiebronnen.
Voedsel scheikunde
De voedingswetenschap behandelt de drie biologische componenten van voedsel - koolhydraten, lipiden en eiwitten. Koolhydraten zijn suikers en zetmeel, de chemische brandstoffen die nodig zijn om onze cellen te laten functioneren. Lipiden zijn vetten en oliën en zijn essentiële onderdelen van celmembranen en om organen in het lichaam te smeren en te dempen. Omdat vetten 2,25 keer de energie per gram hebben dan koolhydraten of eiwitten, proberen veel mensen hun inname te beperken om overgewicht te voorkomen. Eiwitten zijn complexe moleculen die bestaan uit 100 tot 500 of meer aminozuren die aan elkaar zijn geketend en gevouwen tot driedimensionale vormen die nodig zijn voor de structuur en functie van elke cel. Ons lichaam kan enkele van de aminozuren synthetiseren; acht van hen, de essentiële aminozuren, moeten echter worden opgenomen als onderdeel van ons voedsel. Voedingswetenschappers zijn ook bezorgd over de anorganische componenten van voedsel, zoals het watergehalte, mineralen, vitamines en enzymen.
Levensmiddelenchemici verbeteren de kwaliteit, veiligheid, opslag en smaak van ons voedsel. Levensmiddelenchemici kunnen voor de particuliere industrie werken om nieuwe producten te ontwikkelen of de verwerking te verbeteren. Ze kunnen ook werken voor overheidsinstanties zoals de Food and Drug Administration om voedselproducten en handlers te inspecteren om ons te beschermen tegen besmetting of schadelijke praktijken. Levensmiddelenchemici testen producten om informatie te verstrekken die wordt gebruikt voor de voedingsetiketten of om te bepalen hoe verpakking en opslag de veiligheid en kwaliteit van het voedsel beïnvloeden. Smaakmakers werken met chemicaliën om de smaak van voedsel te veranderen. Chemici kunnen ook werken aan andere manieren om de zintuiglijke aantrekkingskracht te verbeteren, zoals het verbeteren van kleur, geur of textuur.
Milieuchemie
Milieuchemici bestuderen hoe chemicaliën interageren met de natuurlijke omgeving. Milieuchemie is een interdisciplinaire studie die zowel analytische chemie als kennis van milieukunde omvat. Milieuchemici moeten eerst de chemicaliën en chemische reacties begrijpen die aanwezig zijn in natuurlijke processen in het bodemwater en de lucht. Bemonstering en analyse kunnen vervolgens bepalen of menselijke activiteiten het milieu hebben vervuild of schadelijke reacties hebben veroorzaakt.
Waterkwaliteit is een belangrijk gebied van de milieuchemie. “Zuiver” water bestaat in de natuur niet; er zitten altijd wat mineralen of andere stoffen in opgelost. Chemici van waterkwaliteit testen rivieren, meren en oceaanwater op kenmerken zoals opgeloste zuurstof, zoutgehalte, troebelheid, zwevende sedimenten en pH. Water bestemd voor menselijke consumptie moet vrij zijn van schadelijke verontreinigingen en mag worden behandeld met additieven zoals fluoride en chloor om de veiligheid te vergroten.
Landbouwchemie
Landbouwchemie houdt zich bezig met de stoffen en chemische reacties die betrokken zijn bij de productie, bescherming en het gebruik van gewassen en vee. Het is een zeer interdisciplinair veld dat afhankelijk is van banden met vele andere wetenschappen. Landbouwchemici kunnen samenwerken met het ministerie van Landbouw, de Environmental Protection Agency, de Food and Drug Administration of voor de particuliere sector. Landbouwchemici ontwikkelen meststoffen, insecticiden en herbiciden die nodig zijn voor grootschalige gewasproductie. Ze moeten ook toezicht houden op het gebruik van deze producten en hun impact op het milieu. Voedingssupplementen zijn ontwikkeld om de productiviteit van vlees- en melkveestapels te verhogen.
Landbouwbiotechnologie is een snelgroeiend aandachtspunt voor veel landbouwchemici. Het genetisch manipuleren van gewassen om resistent te zijn tegen de herbiciden die worden gebruikt om onkruid in de velden te bestrijden, vereist een gedetailleerd begrip van zowel de planten als de chemicaliën op moleculair niveau. Biochemici moeten de genetica, chemie en zakelijke behoeften begrijpen om gewassen te ontwikkelen die gemakkelijker te vervoeren zijn of die langer houdbaar zijn.
Chemische technologie
Chemische ingenieurs onderzoeken en ontwikkelen nieuwe materialen of processen waarbij chemische reacties betrokken zijn. Chemische technologie combineert een achtergrond in scheikunde met technische en economische concepten om technologische problemen op te lossen. Chemische ingenieursfuncties vallen in twee hoofdgroepen: industriële toepassingen en ontwikkeling van nieuwe producten.
Industrieën eisen dat chemische ingenieurs nieuwe manieren bedenken om de productie van hun producten eenvoudiger en kosteneffectiever te maken. Chemische ingenieurs zijn betrokken bij het ontwerpen en exploiteren van verwerkingsfabrieken, ontwikkelen veiligheidsprocedures voor het hanteren van gevaarlijke materialen en houden toezicht op de fabricage van bijna elk product dat we gebruiken. Chemische ingenieurs werken aan de ontwikkeling van nieuwe producten en processen op elk gebied, van farmaceutica tot brandstoffen en computercomponenten.
Geochemie
Geochemisten combineren chemie en geologie om de samenstelling en interactie tussen stoffen in de aarde te bestuderen. Geochemisten besteden mogelijk meer tijd aan veldstudies dan andere soorten chemici. Velen werken voor de U.S. Geological Survey of de Environmental Protection Agency om te bepalen hoe mijnbouwactiviteiten en afval de waterkwaliteit en het milieu kunnen beïnvloeden. Ze kunnen naar afgelegen verlaten mijnen reizen om monsters te verzamelen en ruwe veldevaluaties uit te voeren en vervolgens een stroom door het stroomgebied te volgen om te evalueren hoe verontreinigingen door het systeem bewegen. Aardolie-geochemisten worden door olie- en gasbedrijven ingezet om te helpen bij het vinden van nieuwe energiereserves. Ze kunnen ook werken aan pijpleidingen en booreilanden om chemische reacties te voorkomen die explosies of morsen kunnen veroorzaken.
Forensische chemie
Forensische chemici vangen en analyseren het fysieke bewijs dat op een plaats delict is achtergelaten om de identiteit van de betrokken personen te helpen bepalen en om andere essentiële vragen te beantwoorden over hoe en waarom de misdaad is gepleegd. Forensische chemici gebruiken een grote verscheidenheid aan analysemethoden, zoals chromatografie, spectrometrie en spectroscopie.
In nieuw onderzoek dat verscheen in het Journal of the American Society of Mass Spectrometry, wilden wetenschappers van de afdeling chemie van de Louisiana State University (LSU) lasertechnologie toepassen op het gebied van de forensische wetenschap.
Ze ontwikkelden een systeem dat verder gaat dan de identificatie van een vingerafdruk. De techniek kan moleculen vangen die zich in een vingermarkt bevinden, waaronder lipiden, eiwitten, genetisch materiaal of zelfs sporen van explosieven, die verder kunnen worden geanalyseerd. De nieuwe tool haalt in wezen het mysterie weg bij het identificeren van de chemische samenstelling van vingermarkten op plaatsen delict.
De tool richt een laser - met behulp van spiegels en optische vezels - op een oppervlak met een vingerafdruk. De laser verwarmt vervolgens al het water of vocht op het oppervlak, waardoor chemische bindingen in het water uitrekken en trillen, volgens het LSU College of Science Blog. Al deze gerichte energie zorgt ervoor dat het water 'explodeert', waardoor het in een gas verandert en biomoleculen zoals DNA scheidt. Dit proces wordt laserablatie genoemd.
Vervolgens trekt een klein vacuümpompsysteem het water en de moleculen in een klein filter dat alles opvangt dat door een vinger is achtergelaten. Forensische wetenschappers kunnen de inhoud vervolgens in een analyse-apparaat plaatsen, zoals een massaspectrometer of een gaschromatografie-massaspectrometer.
Belangrijk is dat deze laserablatie-techniek gemakkelijk vingermarkten kan vastleggen op poreuze oppervlakken, zoals karton (waarop traditionele forensische methoden niet erg succesvol waren).
Om hun nieuwe techniek te testen, plaatsten de onderzoekers vingermarkten op veel verschillende soorten oppervlakken, waaronder glas, plastic, aluminium en karton. Deze vingermarkten waren doorspekt met stoffen die zo divers waren als cafeïne, antiseptische crème, condoomsmeermiddelen en TNT, volgens het LSU College of Science Blog. Na elke vangst met een vingerafdruk konden de chemici deze stoffen identificeren met behulp van massaspectrometrie.
