Biochemie
Als das Verständnis der unbelebten Chemie im 19. Jahrhundert zunahm, führten Versuche, die physiologischen Prozesse lebender Organismen hinsichtlich molekularer Struktur und Reaktivität zu interpretieren, zur Disziplin der Biochemie. Biochemiker wenden die Techniken und Theorien der Chemie an, um die molekularen Grundlagen des Lebens zu untersuchen. Ein Organismus wird unter der Voraussetzung untersucht, dass seine physiologischen Prozesse die Folge von vielen tausend hochintegrierten chemischen Reaktionen sind. Biochemiker haben unter anderem die Prinzipien festgelegt, die dem Energietransfer in Zellen, der chemischen Struktur von Zellmembranen, der Kodierung und Übertragung von Erbinformationen, der Muskel- und Nervenfunktion sowie den Biosynthesewegen zugrunde liegen. Tatsächlich wurde festgestellt, dass verwandte Biomoleküle in Organismen, die so unterschiedlich sind wie Bakterien und Menschen, ähnliche Rollen spielen. Die Untersuchung von Biomolekülen ist jedoch mit vielen Schwierigkeiten verbunden. Solche Moleküle sind oft sehr groß und weisen eine große strukturelle Komplexität auf; Darüber hinaus sind die chemischen Reaktionen, die sie eingehen, gewöhnlich außerordentlich schnell. Die Trennung der beiden DNA-Stränge erfolgt beispielsweise in einer Millionstel Sekunde. Solche schnellen Reaktionsgeschwindigkeiten sind nur durch die Zwischenwirkung von Biomolekülen möglich, die als Enzyme bezeichnet werden. Enzyme sind Proteine, die ihre bemerkenswerte geschwindigkeitsbeschleunigende Fähigkeit ihrer dreidimensionalen chemischen Struktur verdanken. Es überrascht nicht, dass biochemische Entdeckungen einen großen Einfluss auf das Verständnis und die Behandlung von Krankheiten hatten. Viele Krankheiten aufgrund angeborener Stoffwechselstörungen wurden auf bestimmte genetische Defekte zurückgeführt. Andere Krankheiten resultieren aus Störungen in normalen biochemischen Pfaden.
Technikgeschichte: Chemie
Robert Boyles Beitrag zur Theorie der Dampfkraft wurde erwähnt, aber Boyle wird allgemein als "Vater der Chemie" anerkannt.
Häufig können Symptome durch Medikamente gelindert werden, und die Entdeckung, Wirkungsweise und der Abbau von Therapeutika ist ein weiteres wichtiges Forschungsgebiet in der Biochemie. Bakterieninfektionen können mit Sulfonamiden, Penicillinen und Tetracyclinen behandelt werden, und Untersuchungen zu Virusinfektionen haben die Wirksamkeit von Aciclovir gegen das Herpesvirus gezeigt. Derzeit besteht großes Interesse an Einzelheiten der Karzinogenese und der Chemotherapie von Krebs. Es ist beispielsweise bekannt, dass Krebs entstehen kann, wenn krebserregende Moleküle oder Karzinogene, wie sie genannt werden, mit Nukleinsäuren und Proteinen reagieren und ihre normalen Wirkmechanismen beeinträchtigen. Forscher haben Tests entwickelt, mit denen Moleküle identifiziert werden können, die wahrscheinlich krebserregend sind. Die Hoffnung ist natürlich, dass sich die Fortschritte bei der Prävention und Behandlung von Krebs beschleunigen, sobald die biochemischen Grundlagen der Krankheit besser verstanden sind.
Die molekulare Basis biologischer Prozesse ist ein wesentliches Merkmal der schnell wachsenden Disziplinen Molekularbiologie und Biotechnologie. Die Chemie hat Methoden entwickelt, um die Struktur von Proteinen und DNA schnell und genau zu bestimmen. Darüber hinaus werden effiziente Labormethoden zur Synthese von Genen entwickelt. Letztendlich kann die Korrektur genetisch bedingter Krankheiten durch Ersatz defekter Gene durch normale möglich werden.
Polymerchemie
Die einfache Substanz Ethylen ist ein Gas aus Molekülen der Formel CH 2 CH 2. Unter bestimmten Bedingungen verbinden sich viele Ethylenmoleküle zu einer langen Kette namens Polyethylen mit der Formel (CH 2 CH 2) n, wobei n eine variable, aber große Zahl ist. Polyethylen ist ein zähes, haltbares festes Material, das sich deutlich von Ethylen unterscheidet. Es ist ein Beispiel für ein Polymer, bei dem es sich um ein großes Molekül handelt, das aus vielen kleineren Molekülen (Monomeren) besteht, die normalerweise linear miteinander verbunden sind. Viele natürlich vorkommende Substanzen, einschließlich Cellulose, Stärke, Baumwolle, Wolle, Gummi, Leder, Proteine und DNA, sind Polymere. Polyethylen, Nylon und Acryl sind Beispiele für synthetische Polymere. Die Untersuchung solcher Materialien liegt im Bereich der Polymerchemie, einer Spezialität, die im 20. Jahrhundert floriert hat. Die Untersuchung natürlicher Polymere überschneidet sich erheblich mit der Biochemie, aber die Synthese neuer Polymere, die Untersuchung von Polymerisationsprozessen und die Charakterisierung der Struktur und Eigenschaften von Polymermaterialien stellen Polymerchemiker vor einzigartige Probleme.
Polymerchemiker haben Polymere entwickelt und synthetisiert, die sich in Härte, Flexibilität, Erweichungstemperatur, Wasserlöslichkeit und biologischer Abbaubarkeit unterscheiden. Sie haben polymere Materialien hergestellt, die so stark wie Stahl sind, aber leichter und korrosionsbeständiger. Öl-, Erdgas- und Wasserleitungen werden heute routinemäßig aus Kunststoffrohren hergestellt. In den letzten Jahren haben Autohersteller verstärkt Kunststoffkomponenten eingesetzt, um leichtere Fahrzeuge zu bauen, die weniger Kraftstoff verbrauchen. Andere Industrien wie die Herstellung von Textilien, Gummi, Papier und Verpackungsmaterialien bauen auf der Polymerchemie auf.
Neben der Herstellung neuer Arten von Polymermaterialien befassen sich die Forscher mit der Entwicklung spezieller Katalysatoren, die für die industrielle Synthese kommerzieller Polymere in großem Maßstab erforderlich sind. Ohne solche Katalysatoren wäre der Polymerisationsprozess in bestimmten Fällen sehr langsam.
Physikalische Chemie
Viele chemische Disziplinen, wie die bereits diskutierten, konzentrieren sich auf bestimmte Materialklassen, die gemeinsame strukturelle und chemische Merkmale aufweisen. Andere Spezialitäten konzentrieren sich möglicherweise nicht auf eine Klasse von Substanzen, sondern auf deren Wechselwirkungen und Transformationen. Das älteste dieser Gebiete ist die physikalische Chemie, die versucht, die quantitativen Aspekte chemischer Prozesse zu messen, zu korrelieren und zu erklären. Der anglo-irische Chemiker Robert Boyle entdeckte beispielsweise im 17. Jahrhundert, dass bei Raumtemperatur das Volumen einer festen Gasmenge proportional mit zunehmendem Druck abnimmt. Somit ist für ein Gas bei konstanter Temperatur das Produkt seines Volumens V und seines Drucks P gleich einer konstanten Zahl, dh PV = konstant. Eine solche einfache arithmetische Beziehung gilt für fast alle Gase bei Raumtemperatur und Drücken, die gleich oder kleiner als eine Atmosphäre sind. Nachfolgende Arbeiten haben gezeigt, dass die Beziehung bei höheren Drücken ihre Gültigkeit verliert, aber es können kompliziertere Ausdrücke abgeleitet werden, die genauer mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen. Die Entdeckung und Untersuchung solcher chemischer Regelmäßigkeiten, die oft als Naturgesetze bezeichnet werden, liegt im Bereich der physikalischen Chemie. Für einen Großteil des 18. Jahrhunderts wurde angenommen, dass die Quelle der mathematischen Regelmäßigkeit in chemischen Systemen das Kontinuum von Kräften und Feldern ist, die die Atome umgeben, aus denen chemische Elemente und Verbindungen bestehen. Die Entwicklungen im 20. Jahrhundert haben jedoch gezeigt, dass das chemische Verhalten am besten durch ein quantenmechanisches Modell der atomaren und molekularen Struktur interpretiert werden kann. Der Zweig der physikalischen Chemie, der sich hauptsächlich diesem Thema widmet, ist die theoretische Chemie. Theoretische Chemiker nutzen Computer in großem Umfang, um komplizierte mathematische Gleichungen zu lösen. Andere Zweige der physikalischen Chemie sind die chemische Thermodynamik, die sich mit der Beziehung zwischen Wärme und anderen Formen chemischer Energie befasst, und die chemische Kinetik, mit der die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen gemessen und verstanden werden soll. Die Elektrochemie untersucht den Zusammenhang zwischen elektrischem Strom und chemischer Veränderung. Der Durchgang eines elektrischen Stroms durch eine chemische Lösung führt zu Veränderungen der Bestandteile, die häufig reversibel sind - dh unter verschiedenen Bedingungen ergeben die veränderten Substanzen selbst einen elektrischen Strom. Übliche Batterien enthalten chemische Substanzen, die, wenn sie durch Schließen eines Stromkreises miteinander in Kontakt gebracht werden, Strom mit einer konstanten Spannung liefern, bis die Substanzen verbraucht sind. Gegenwärtig besteht ein großes Interesse an Geräten, die die Energie im Sonnenlicht nutzen können, um chemische Reaktionen anzutreiben, deren Produkte die Energie speichern können. Die Entdeckung solcher Geräte würde die weit verbreitete Nutzung von Sonnenenergie ermöglichen.
Es gibt viele andere Disziplinen in der physikalischen Chemie, die sich mehr mit den allgemeinen Eigenschaften von Substanzen und den Wechselwirkungen zwischen Substanzen als mit den Substanzen selbst befassen. Die Photochemie ist eine Spezialität, die die Wechselwirkung von Licht mit Materie untersucht. Chemische Reaktionen, die durch Absorption von Licht ausgelöst werden, können sich stark von denen unterscheiden, die auf andere Weise auftreten. Vitamin D entsteht beispielsweise im menschlichen Körper, wenn das Steroid Ergosterol Sonnenstrahlung absorbiert. Ergosterol wandelt sich im Dunkeln nicht in Vitamin D um.
Eine sich schnell entwickelnde Subdisziplin der physikalischen Chemie ist die Oberflächenchemie. Es untersucht die Eigenschaften chemischer Oberflächen und stützt sich dabei stark auf Instrumente, die ein chemisches Profil solcher Oberflächen liefern können. Immer wenn ein Feststoff einer Flüssigkeit oder einem Gas ausgesetzt ist, findet zunächst eine Reaktion auf der Oberfläche des Feststoffs statt, und seine Eigenschaften können sich dadurch dramatisch ändern. Aluminium ist ein typisches Beispiel: Es ist korrosionsbeständig, gerade weil die Oberfläche des reinen Metalls mit Sauerstoff unter Bildung einer Aluminiumoxidschicht reagiert, die dazu dient, das Innere des Metalls vor weiterer Oxidation zu schützen. Zahlreiche Reaktionskatalysatoren erfüllen ihre Funktion, indem sie eine reaktive Oberfläche bereitstellen, auf der Substanzen reagieren können.
