Chimica

Biochimica

Man mano che la comprensione della chimica inanimata cresceva nel corso del XIX secolo, i tentativi di interpretare i processi fisiologici degli organismi viventi in termini di struttura molecolare e reattività hanno dato origine alla disciplina della biochimica. I biochimici utilizzano le tecniche e le teorie della chimica per sondare le basi molecolari della vita. Un organismo viene studiato sulla base del fatto che i suoi processi fisiologici sono la conseguenza di molte migliaia di reazioni chimiche che si verificano in modo altamente integrato. I biochimici hanno stabilito, tra le altre cose, i principi alla base del trasferimento di energia nelle cellule, la struttura chimica delle membrane cellulari, la codifica e la trasmissione delle informazioni ereditarie, la funzione muscolare e nervosa e le vie biosintetiche. In effetti, è stato scoperto che biomolecole correlate svolgono ruoli simili in organismi diversi come batteri e esseri umani. Lo studio delle biomolecole, tuttavia, presenta molte difficoltà. Tali molecole sono spesso molto grandi e presentano una grande complessità strutturale; inoltre, le reazioni chimiche a cui sono sottoposti sono di solito estremamente veloci. La separazione dei due filamenti di DNA, per esempio, avviene in un milionesimo di secondo. Tali rapidi tassi di reazione sono possibili solo attraverso l'azione intermedia di biomolecole chiamate enzimi. Gli enzimi sono proteine ​​che devono le loro notevoli capacità di accelerare il tasso alla loro struttura chimica tridimensionale. Non sorprende che le scoperte biochimiche abbiano avuto un grande impatto sulla comprensione e sul trattamento delle malattie. Molti disturbi dovuti a errori congeniti del metabolismo sono stati ricondotti a specifici difetti genetici. Altre malattie derivano da interruzioni nei normali percorsi biochimici.

storia della tecnologia: chimica

Il contributo di Robert Boyle alla teoria della potenza del vapore è stato menzionato, ma Boyle è più comunemente riconosciuto come il "padre della chimica",

Spesso i sintomi possono essere alleviati dai farmaci e la scoperta, il modo di agire e il degrado degli agenti terapeutici è un'altra delle principali aree di studio in biochimica. Le infezioni batteriche possono essere trattate con sulfamidici, penicilline e tetracicline e la ricerca sulle infezioni virali ha rivelato l'efficacia dell'aciclovir contro il virus dell'herpes. C'è molto interesse attuale nei dettagli della carcinogenesi e della chemioterapia per il cancro. È noto, ad esempio, che il cancro può verificarsi quando molecole cancerogene o agenti cancerogeni, come vengono chiamati, reagiscono con acidi e proteine ​​nucleici e interferiscono con le loro normali modalità di azione. I ricercatori hanno sviluppato test in grado di identificare molecole che potrebbero essere cancerogene. La speranza, ovviamente, è che i progressi nella prevenzione e nel trattamento del cancro acceleri una volta che le basi biochimiche della malattia siano state pienamente comprese.

La base molecolare dei processi biologici è una caratteristica essenziale delle discipline in rapida crescita della biologia molecolare e della biotecnologia. La chimica ha sviluppato metodi per determinare rapidamente e accuratamente la struttura delle proteine ​​e del DNA. Inoltre, sono stati elaborati metodi di laboratorio efficienti per la sintesi di geni. In definitiva, la correzione delle malattie genetiche mediante la sostituzione di geni difettosi con quelli normali può diventare possibile.

Chimica dei polimeri

La semplice sostanza etilene è un gas composto da molecole con la formula CH ₂ CH ₂. In determinate condizioni, molte molecole di etilene si uniranno per formare una lunga catena chiamata polietilene, con la formula (CH ₂ CH ₂) _n, dove n è un numero variabile ma elevato. Il polietilene è un materiale solido, resistente e molto diverso dall'etilene. È un esempio di un polimero, che è una grande molecola composta da molte molecole più piccole (monomeri), di solito unite in modo lineare. Molte sostanze presenti in natura, tra cui cellulosa, amido, cotone, lana, gomma, cuoio, proteine ​​e DNA, sono polimeri. Il polietilene, il nylon e gli acrilici sono esempi di polimeri sintetici. Lo studio di tali materiali rientra nell'ambito della chimica dei polimeri, una specialità che è fiorita nel 20 ° secolo. L'indagine sui polimeri naturali si sovrappone considerevolmente alla biochimica, ma la sintesi di nuovi polimeri, l'indagine sui processi di polimerizzazione e la caratterizzazione della struttura e delle proprietà dei materiali polimerici pongono tutti problemi unici per i chimici dei polimeri.

I chimici polimerici hanno progettato e sintetizzato polimeri che variano in durezza, flessibilità, temperatura di rammollimento, solubilità in acqua e biodegradabilità. Hanno prodotto materiali polimerici forti come l'acciaio ma più leggeri e più resistenti alla corrosione. Le condotte di petrolio, gas naturale e acqua sono ora abitualmente costruite con tubi di plastica. Negli ultimi anni, le case automobilistiche hanno aumentato il loro uso di componenti in plastica per costruire veicoli più leggeri che consumano meno carburante. Altre industrie come quelle coinvolte nella produzione di tessuti, gomma, carta e materiali di imballaggio sono costruite sulla chimica dei polimeri.

Oltre a produrre nuovi tipi di materiali polimerici, i ricercatori si occupano dello sviluppo di catalizzatori speciali richiesti dalla sintesi industriale su larga scala dei polimeri commerciali. Senza tali catalizzatori, il processo di polimerizzazione sarebbe molto lento in alcuni casi.

Chimica fisica

Molte discipline chimiche, come quelle già discusse, si concentrano su alcune classi di materiali che condividono caratteristiche strutturali e chimiche comuni. Altre specialità possono essere centrate non su una classe di sostanze ma piuttosto sulle loro interazioni e trasformazioni. Il più antico di questi campi è la chimica fisica, che cerca di misurare, correlare e spiegare gli aspetti quantitativi dei processi chimici. Il chimico anglo-irlandese Robert Boyle, per esempio, scoprì nel 17 ° secolo che a temperatura ambiente il volume di una quantità fissa di gas diminuisce proporzionalmente all'aumentare della pressione su di esso. Pertanto, per un gas a temperatura costante, il prodotto del suo volume V e della pressione P è uguale a un numero costante, ovvero PV = costante. Una relazione aritmetica così semplice è valida per quasi tutti i gas a temperatura ambiente e a pressioni uguali o inferiori a un'atmosfera. Il lavoro successivo ha dimostrato che la relazione perde la sua validità a pressioni più elevate, ma si possono derivare espressioni più complicate che corrispondono in modo più accurato ai risultati sperimentali. La scoperta e l'indagine di tali regolarità chimiche, spesso chiamate leggi della natura, si trovano nel regno della chimica fisica. Per gran parte del 18 ° secolo la fonte della regolarità matematica nei sistemi chimici è stata assunta come il continuum di forze e campi che circondano gli atomi che compongono elementi e composti chimici. Gli sviluppi nel 20 ° secolo, tuttavia, hanno dimostrato che il comportamento chimico è meglio interpretato da un modello meccanico quantistico di struttura atomica e molecolare. Il ramo della chimica fisica che è ampiamente dedicato a questa materia è la chimica teorica. I chimici teorici fanno ampio uso dei computer per aiutarli a risolvere complicate equazioni matematiche. Altre branche della chimica fisica includono la termodinamica chimica, che si occupa della relazione tra calore e altre forme di energia chimica e cinetica chimica, che cerca di misurare e comprendere i tassi di reazioni chimiche. L'elettrochimica studia le interrelazioni tra corrente elettrica e cambiamenti chimici. Il passaggio di una corrente elettrica attraverso una soluzione chimica provoca cambiamenti nelle sostanze costituenti che sono spesso reversibili, ovvero in condizioni diverse le sostanze alterate produrranno una corrente elettrica. Le batterie comuni contengono sostanze chimiche che, una volta messe in contatto tra loro chiudendo un circuito elettrico, forniscono corrente a una tensione costante fino a quando le sostanze non vengono consumate. Allo stato attuale c'è molto interesse nei dispositivi che possono usare l'energia alla luce del sole per stimolare reazioni chimiche i cui prodotti sono in grado di immagazzinare energia. La scoperta di tali dispositivi renderebbe possibile l'utilizzo diffuso dell'energia solare.

Ci sono molte altre discipline all'interno della chimica fisica che si occupano più delle proprietà generali delle sostanze e delle interazioni tra sostanze che delle sostanze stesse. La fotochimica è una specialità che indaga l'interazione della luce con la materia. Le reazioni chimiche iniziate dall'assorbimento della luce possono essere molto diverse da quelle che si verificano con altri mezzi. La vitamina D, ad esempio, si forma nel corpo umano quando lo steroide ergosterolo assorbe la radiazione solare; l'ergosterolo non cambia in vitamina D al buio.

Una sottodisciplina in rapido sviluppo della chimica fisica è la chimica di superficie. Esamina le proprietà delle superfici chimiche, basandosi fortemente su strumenti in grado di fornire un profilo chimico di tali superfici. Ogni volta che un solido viene esposto a un liquido o un gas, si verifica inizialmente una reazione sulla superficie del solido e, di conseguenza, le sue proprietà possono cambiare drasticamente. L'alluminio è un esempio emblematico: è resistente alla corrosione proprio perché la superficie del metallo puro reagisce con l'ossigeno formando uno strato di ossido di alluminio, che serve a proteggere l'interno del metallo da ulteriori ossidazioni. Numerosi catalizzatori di reazione svolgono la loro funzione fornendo una superficie reattiva su cui le sostanze possono reagire.