Chemie ist das Studium der Materie, ihrer Eigenschaften, wie und warum sich Substanzen zu anderen Substanzen verbinden oder trennen und wie Substanzen mit Energie interagieren. Viele Leute denken, Chemiker seien weißgekleidete Wissenschaftler, die in einem Labor seltsame Flüssigkeiten mischen, aber die Wahrheit ist, dass wir alle Chemiker sind. Das Verständnis grundlegender chemischer Konzepte ist für fast jeden Beruf wichtig. Chemie ist Teil von allem in unserem Leben.
Jedes existierende Material besteht aus Materie - sogar aus unserem eigenen Körper. Die Chemie ist an allem beteiligt, was wir tun, vom Anbau und Kochen von Lebensmitteln über die Reinigung unserer Häuser und Körper bis hin zum Start eines Space Shuttles. Die Chemie ist eine der physikalischen Wissenschaften, die uns helfen, unsere Welt zu beschreiben und zu erklären.
Fünf Zweige
Es gibt fünf Hauptzweige der Chemie, von denen jeder viele Studienbereiche hat.
Analytische Chemie verwendet qualitative und quantitative Beobachtungen, um die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Substanzen zu identifizieren und zu messen. In gewissem Sinne ist die gesamte Chemie analytisch.
Physikalische Chemie verbindet Chemie mit Physik. Physikalische Chemiker untersuchen, wie Materie und Energie interagieren. Thermodynamik und Quantenmechanik sind zwei wichtige Zweige der physikalischen Chemie.
Organische Chemie untersucht speziell Verbindungen, die das Element Kohlenstoff enthalten. Kohlenstoff hat viele einzigartige Eigenschaften, die es ihm ermöglichen, komplexe chemische Bindungen und sehr große Moleküle zu bilden. Die organische Chemie ist als „Chemie des Lebens“ bekannt, da alle Moleküle, aus denen lebendes Gewebe besteht, Kohlenstoff als Teil ihres Aufbaus haben.
Anorganische Chemie untersucht Materialien wie Metalle und Gase, deren Zusammensetzung keinen Kohlenstoff enthält.
Biochemie ist die Untersuchung chemischer Prozesse, die in lebenden Organismen ablaufen.
Studienbereiche
Innerhalb dieser breiten Kategorien gibt es unzählige Studienbereiche, von denen viele wichtige Auswirkungen auf unser tägliches Leben haben. Chemiker verbessern viele Produkte, von den Lebensmitteln und der Kleidung, die wir tragen, bis zu den Materialien, mit denen wir unsere Häuser bauen. Chemie trägt zum Schutz unserer Umwelt bei und sucht nach neuen Energiequellen.
Lebensmittelchemie
Die Lebensmittelwissenschaft befasst sich mit den drei biologischen Bestandteilen von Lebensmitteln - Kohlenhydraten, Lipiden und Proteinen. Kohlenhydrate sind Zucker und Stärke, die chemischen Brennstoffe, die unsere Zellen benötigen, um zu funktionieren. Lipide sind Fette und Öle und sind wesentliche Bestandteile der Zellmembranen sowie die Schmierung und Polsterung der Organe im Körper. Da Fette die 2,25-fache Energie pro Gramm haben als Kohlenhydrate oder Proteine, versuchen viele Menschen, ihre Aufnahme zu begrenzen, um Übergewicht zu vermeiden. Proteine sind komplexe Moleküle aus 100 bis 500 oder mehr Aminosäuren, die miteinander verkettet und in dreidimensionale Formen gefaltet sind, die für die Struktur und Funktion jeder Zelle erforderlich sind. Unser Körper kann einige der Aminosäuren synthetisieren; Acht von ihnen, die essentiellen Aminosäuren, müssen jedoch als Teil unserer Nahrung aufgenommen werden. Lebensmittelwissenschaftler befassen sich auch mit den anorganischen Bestandteilen von Lebensmitteln wie Wassergehalt, Mineralien, Vitaminen und Enzymen.
Lebensmittelchemiker verbessern die Qualität, Sicherheit, Lagerung und den Geschmack unserer Lebensmittel. Lebensmittelchemiker arbeiten möglicherweise für die Privatindustrie, um neue Produkte zu entwickeln oder die Verarbeitung zu verbessern. Sie können auch für Regierungsbehörden wie die Food and Drug Administration arbeiten, um Lebensmittelprodukte und -handler zu inspizieren, um uns vor Kontamination oder schädlichen Praktiken zu schützen. Lebensmittelchemiker testen Produkte, um Informationen zu liefern, die für die Nährwertkennzeichnungen verwendet werden, oder um festzustellen, wie Verpackung und Lagerung die Sicherheit und Qualität der Lebensmittel beeinflussen. Flavoristen arbeiten mit Chemikalien, um den Geschmack von Lebensmitteln zu verändern. Chemiker können auch an anderen Methoden arbeiten, um die sensorische Attraktivität zu verbessern, z. B. an der Verbesserung von Farbe, Geruch oder Textur.
Umweltchemie
Umweltchemiker untersuchen, wie Chemikalien mit der natürlichen Umwelt interagieren. Umweltchemie ist eine interdisziplinäre Studie, die sowohl analytische Chemie als auch ein Verständnis der Umweltwissenschaften umfasst. Umweltchemiker müssen zunächst die Chemikalien und chemischen Reaktionen verstehen, die in natürlichen Prozessen im Bodenwasser und in der Luft vorhanden sind. Durch Probenahme und Analyse kann dann festgestellt werden, ob menschliche Aktivitäten die Umwelt kontaminiert oder schädliche Reaktionen hervorgerufen haben.
Die Wasserqualität ist ein wichtiger Bereich der Umweltchemie. "Reines" Wasser gibt es in der Natur nicht; Es enthält immer einige Mineralien oder andere Substanzen. Chemiker der Wasserqualität testen Flüsse, Seen und Meerwasser auf Eigenschaften wie gelösten Sauerstoff, Salzgehalt, Trübung, suspendierte Sedimente und pH-Wert. Wasser, das für den menschlichen Verzehr bestimmt ist, muss frei von schädlichen Verunreinigungen sein und darf zur Erhöhung seiner Sicherheit mit Zusatzstoffen wie Fluorid und Chlor behandelt werden.
Agrarchemie
Die Agrarchemie befasst sich mit den Substanzen und chemischen Reaktionen, die bei der Erzeugung, dem Schutz und der Verwendung von Kulturpflanzen und Nutztieren eine Rolle spielen. Es ist ein sehr interdisziplinäres Feld, das auf Verbindungen zu vielen anderen Wissenschaften beruht. Agrarchemiker können mit dem Landwirtschaftsministerium, der Environmental Protection Agency, der Food and Drug Administration oder für die Privatindustrie zusammenarbeiten. Agrarchemiker entwickeln Düngemittel, Insektizide und Herbizide, die für die großflächige Pflanzenproduktion notwendig sind. Sie müssen auch überwachen, wie diese Produkte verwendet werden und welche Auswirkungen sie auf die Umwelt haben. Nahrungsergänzungsmittel wurden entwickelt, um die Produktivität von Fleisch- und Milchviehherden zu steigern.
Die Agrarbiotechnologie ist für viele Agrarchemiker ein schnell wachsender Schwerpunkt. Die genetische Manipulation von Pflanzen, um gegen die Herbizide resistent zu sein, die zur Unkrautbekämpfung auf den Feldern eingesetzt werden, erfordert ein detailliertes Verständnis sowohl der Pflanzen als auch der Chemikalien auf molekularer Ebene. Biochemiker müssen die Bedürfnisse von Genetik, Chemie und Wirtschaft verstehen, um Pflanzen zu entwickeln, die leichter zu transportieren sind oder eine längere Haltbarkeit haben.
Chemieingenieurwesen
Chemieingenieure erforschen und entwickeln neue Materialien oder Verfahren, die chemische Reaktionen beinhalten. Die chemische Technik kombiniert einen Hintergrund in der Chemie mit technischen und ökonomischen Konzepten, um technologische Probleme zu lösen. Jobs im Bereich Chemieingenieurwesen lassen sich in zwei Hauptgruppen einteilen: industrielle Anwendungen und Entwicklung neuer Produkte.
In der Industrie müssen Chemieingenieure neue Wege finden, um die Herstellung ihrer Produkte einfacher und kostengünstiger zu gestalten. Chemieingenieure sind an der Planung und dem Betrieb von Verarbeitungsanlagen beteiligt, entwickeln Sicherheitsverfahren für den Umgang mit gefährlichen Materialien und überwachen die Herstellung nahezu aller von uns verwendeten Produkte. Chemieingenieure arbeiten an der Entwicklung neuer Produkte und Verfahren in allen Bereichen, von Pharmazeutika über Kraftstoffe bis hin zu Computerkomponenten.
Geochemie
Geochemiker kombinieren Chemie und Geologie, um den Aufbau und die Wechselwirkung zwischen Substanzen auf der Erde zu untersuchen. Geochemiker verbringen möglicherweise mehr Zeit mit Feldstudien als andere Arten von Chemikern. Viele arbeiten für das US Geological Survey oder die Environmental Protection Agency, um herauszufinden, wie sich Bergbaubetriebe und Abfälle auf die Wasserqualität und die Umwelt auswirken können. Sie können zu abgelegenen verlassenen Minen fahren, um Proben zu sammeln und grobe Feldbewertungen durchzuführen, und dann einem Strom durch die Wasserscheide folgen, um zu bewerten, wie sich Schadstoffe durch das System bewegen. Erdölgeochemiker werden von Öl- und Gasunternehmen eingesetzt, um neue Energiereserven zu finden. Sie können auch an Rohrleitungen und Bohrinseln arbeiten, um chemische Reaktionen zu verhindern, die Explosionen oder Verschüttungen verursachen können.
Forensische Chemie
Forensische Chemiker erfassen und analysieren die an einem Tatort zurückgelassenen physischen Beweise, um die Identität der beteiligten Personen festzustellen und andere wichtige Fragen zu beantworten, wie und warum das Verbrechen begangen wurde. Forensische Chemiker verwenden eine Vielzahl von Analysemethoden wie Chromatographie, Spektrometrie und Spektroskopie.
In einer neuen Studie im Journal der American Society of Mass Spectrometry wollten Wissenschaftler des Fachbereichs Chemie der Louisiana State University (LSU) die Lasertechnologie auf dem Gebiet der Forensik anwenden.
Sie entwickelten ein System, das über die Identifizierung eines Fingerabdrucks hinausgeht. Die Technik kann Moleküle erfassen, die in einem Fingerabdruck enthalten sind, einschließlich Lipiden, Proteinen, genetischem Material oder sogar Spurenmengen von Sprengstoffen, die weiter analysiert werden können. Das neue Tool erleichtert im Wesentlichen die Identifizierung der chemischen Zusammensetzung von Fingerabdrücken an Tatorten.
Das Werkzeug fokussiert einen Laser - unter Verwendung von Spiegeln und optischen Fasern - auf eine Oberfläche, die einen Fingerabdruck enthält. Der Laser erwärmt dann Wasser oder Feuchtigkeit auf der Oberfläche und löst chemische Bindungen im Wasser aus, die sich laut dem Blog des LSU College of Science dehnen und vibrieren. All diese fokussierte Energie führt dazu, dass das Wasser „explodiert“, es in ein Gas verwandelt und Biomoleküle wie DNA abtrennt. Dieser Vorgang wird als Laserablation bezeichnet.
Als nächstes zieht ein kleines Vakuumpumpensystem das Wasser und die Moleküle in einen winzigen Filter, der alles erfasst, was der Finger einer Person zurückgelassen hat. Forensiker können den Inhalt dann in ein Analysegerät wie ein Massenspektrometer oder ein Gaschromatographie-Massenspektrometer geben.
Wichtig ist, dass diese Laserablationstechnik leicht Fingerabdrücke auf porösen Oberflächen wie Pappe erfassen kann (auf denen herkömmliche forensische Methoden nicht sehr erfolgreich waren).
Um ihre neue Technik zu testen, platzierten die Forscher Fingerabdrücke auf vielen verschiedenen Oberflächentypen, darunter Glas, Kunststoff, Aluminium und Pappe. Diese Fingerabdrücke waren laut dem LSU College of Science Blog mit so unterschiedlichen Substanzen wie Koffein, antiseptischer Creme, Kondomschmiermitteln und TNT versetzt. Nach jedem Fingerabdruck konnten die Chemiker diese Substanzen mittels Massenspektrometrie identifizieren.
