الكيمياء هي دراسة المادة ، وخصائصها ، وكيف ولماذا تتحد المواد أو تنفصل لتكوين مواد أخرى ، وكيف تتفاعل المواد مع الطاقة. يعتقد الكثير من الناس أن الكيميائيين هم علماء مغلفون بالبيض يخلطون سوائل غريبة في المختبر ، لكن الحقيقة أننا جميعًا كيميائيون. إن فهم مفاهيم الكيمياء الأساسية مهم لكل مهنة تقريبًا. الكيمياء جزء من كل شيء في حياتنا.
كل مادة موجودة تتكون من مادة - حتى أجسادنا. تشارك الكيمياء في كل ما نقوم به ، من زراعة وطهي الطعام إلى تنظيف منازلنا وأجسادنا إلى إطلاق مكوك فضائي. الكيمياء هي واحدة من العلوم الفيزيائية التي تساعدنا على وصف وشرح عالمنا.
خمسة فروع
هناك خمسة فروع رئيسية للكيمياء ، لكل منها العديد من مجالات الدراسة.
الكيمياء التحليلية يستخدم المراقبة النوعية والكمية لتحديد وقياس الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمواد. بمعنى ما ، كل الكيمياء تحليلية.
الكيمياء الفيزيائية يجمع بين الكيمياء والفيزياء. يدرس الكيميائيون الفيزيائيون كيفية تفاعل المادة والطاقة. الديناميكا الحرارية وميكانيكا الكم هما فرعين مهمين للكيمياء الفيزيائية.
الكيمياء العضوية يدرس على وجه التحديد المركبات التي تحتوي على عنصر الكربون. يحتوي الكربون على العديد من الخصائص الفريدة التي تسمح له بتشكيل روابط كيميائية معقدة وجزيئات كبيرة جدًا. تُعرف الكيمياء العضوية باسم "كيمياء الحياة" لأن جميع الجزيئات التي تتكون منها الأنسجة الحية تحتوي على الكربون كجزء من تركيبها.
الكيمياء غير العضوية يدرس مواد مثل المعادن والغازات التي لا تحتوي على الكربون كجزء من تركيبها.
الكيمياء الحيوية هي دراسة العمليات الكيميائية التي تحدث داخل الكائنات الحية.
مجالات الدراسة
ضمن هذه الفئات الواسعة توجد مجالات لا حصر لها من الدراسة ، وكثير منها له تأثيرات مهمة على حياتنا اليومية. يقوم الكيميائيون بتحسين العديد من المنتجات ، من الطعام الذي نتناوله والملابس التي نرتديها إلى المواد التي نبني بها منازلنا. يساعد الكيمياء على حماية بيئتنا والبحث عن مصادر جديدة للطاقة.
كيمياء الغذاء
يتعامل علم الغذاء مع المكونات البيولوجية الثلاثة للغذاء - الكربوهيدرات والدهون والبروتينات. الكربوهيدرات هي السكريات والنشويات ، والوقود الكيميائي اللازم لخلايانا لكي تعمل. الدهون هي دهون وزيوت وهي أجزاء أساسية من أغشية الخلايا لتليين وتوسيد الأعضاء داخل الجسم. نظرًا لأن الدهون تحتوي على 2.25 مرة من الطاقة لكل جرام من الكربوهيدرات أو البروتينات ، يحاول العديد من الأشخاص الحد من تناولهم لتجنب زيادة الوزن. البروتينات هي جزيئات معقدة تتكون من 100 إلى 500 أو أكثر من الأحماض الأمينية التي يتم ربطها معًا وطيها إلى أشكال ثلاثية الأبعاد ضرورية لهيكل ووظيفة كل خلية. يمكن لأجسادنا توليف بعض الأحماض الأمينية. لكن ثمانية منها ، الأحماض الأمينية الأساسية ، يجب أن تؤخذ كجزء من طعامنا. يهتم علماء الغذاء أيضًا بالمكونات غير العضوية للأغذية مثل محتواه المائي والمعادن والفيتامينات والإنزيمات.
يقوم كيميائيو الأغذية بتحسين جودة وسلامة وتخزين وطعم طعامنا. قد يعمل الكيميائيون الغذائيون للصناعة الخاصة لتطوير منتجات جديدة أو تحسين المعالجة. قد يعملون أيضًا مع الوكالات الحكومية مثل إدارة الغذاء والدواء لفحص المنتجات الغذائية ومعالجوها لحمايتنا من التلوث أو الممارسات الضارة. يقوم كيميائيو الأغذية باختبار المنتجات لتوفير المعلومات المستخدمة في ملصقات التغذية أو لتحديد كيفية تأثير التعبئة والتغليف والتخزين على سلامة وجودة الطعام. يعمل النكهة مع المواد الكيميائية لتغيير طعم الطعام. قد يعمل الكيميائيون أيضًا على طرق أخرى لتحسين الجاذبية الحسية ، مثل تحسين اللون أو الرائحة أو الملمس.
الكيمياء البيئية
يدرس الكيميائيون البيئيون كيف تتفاعل المواد الكيميائية مع البيئة الطبيعية. الكيمياء البيئية هي دراسة متعددة التخصصات تنطوي على كل من الكيمياء التحليلية وفهم العلوم البيئية. يجب أن يفهم الكيميائيون البيئيون أولاً المواد الكيميائية والتفاعلات الكيميائية الموجودة في العمليات الطبيعية في مياه التربة والهواء. يمكن بعد ذلك أخذ العينات والتحليل تحديد ما إذا كانت الأنشطة البشرية قد تلوثت البيئة أو تسببت في ردود فعل ضارة تؤثر عليها.
تعتبر جودة المياه مجالًا مهمًا في الكيمياء البيئية. المياه "النقية" غير موجودة في الطبيعة ؛ تحتوي دائمًا على بعض المعادن أو المواد الأخرى المذابة فيها. يقوم كيميائيو جودة المياه باختبار الأنهار والبحيرات ومياه المحيط بحثًا عن خصائص مثل الأكسجين المذاب والملوحة والعكارة والرواسب المعلقة والأس الهيدروجيني. يجب أن تكون المياه الموجهة للاستهلاك البشري خالية من الملوثات الضارة ويمكن معالجتها بإضافات مثل الفلورايد والكلور لزيادة سلامتها.
الكيمياء الزراعية
تهتم الكيمياء الزراعية بالمواد والتفاعلات الكيميائية المرتبطة بإنتاج المحاصيل والماشية وحمايتها واستخدامها. إنه مجال متعدد التخصصات للغاية يعتمد على العلاقات مع العديد من العلوم الأخرى. قد يعمل الكيميائيون الزراعيون مع وزارة الزراعة أو وكالة حماية البيئة أو إدارة الغذاء والدواء أو للصناعات الخاصة. يقوم الكيميائيون الزراعيون بتطوير الأسمدة والمبيدات الحشرية ومبيدات الأعشاب اللازمة لإنتاج المحاصيل على نطاق واسع. يجب عليهم أيضًا مراقبة كيفية استخدام هذه المنتجات وتأثيراتها على البيئة. تم تطوير المكملات الغذائية لزيادة إنتاجية قطعان اللحوم والألبان.
تعتبر التكنولوجيا الحيوية الزراعية محور تركيز سريع النمو للعديد من الكيميائيين الزراعيين. يتطلب التلاعب الجيني بالمحاصيل لمقاومة مبيدات الأعشاب المستخدمة في مكافحة الأعشاب الضارة في الحقول فهمًا تفصيليًا لكل من النباتات والمواد الكيميائية على المستوى الجزيئي. يجب أن يفهم الكيميائيون الحيويون علم الوراثة والكيمياء واحتياجات الأعمال لتطوير محاصيل يسهل نقلها أو لها صلاحية أطول.
هندسة كيميائية
يبحث المهندسون الكيميائيون ويطورون مواد أو عمليات جديدة تتضمن تفاعلات كيميائية. تجمع الهندسة الكيميائية بين الخلفية في الكيمياء والمفاهيم الهندسية والاقتصادية لحل المشكلات التكنولوجية. تنقسم وظائف الهندسة الكيميائية إلى مجموعتين رئيسيتين: التطبيقات الصناعية وتطوير منتجات جديدة.
تتطلب الصناعات من المهندسين الكيميائيين ابتكار طرق جديدة لجعل تصنيع منتجاتهم أسهل وأكثر فعالية من حيث التكلفة. يشارك المهندسون الكيميائيون في تصميم وتشغيل مصانع المعالجة ، وتطوير إجراءات السلامة للتعامل مع المواد الخطرة ، والإشراف على تصنيع كل منتج نستخدمه تقريبًا. يعمل المهندسون الكيميائيون على تطوير منتجات وعمليات جديدة في كل مجال من الأدوية إلى الوقود ومكونات الكمبيوتر.
الكيمياء الجيولوجية
يجمع علماء الكيمياء الجيولوجية بين الكيمياء والجيولوجيا لدراسة التركيب والتفاعل بين المواد الموجودة في الأرض. قد يقضي الكيميائيون وقتًا في الدراسات الميدانية أكثر من الأنواع الأخرى من الكيميائيين. يعمل الكثيرون في هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية أو وكالة حماية البيئة في تحديد كيفية تأثير عمليات التعدين والنفايات على جودة المياه والبيئة. قد يسافرون إلى مناجم مهجورة عن بعد لجمع عينات وإجراء تقييمات ميدانية تقريبية ، ثم يتبعون مجرىً من خلال مستجمع المياه لتقييم كيفية انتقال الملوثات عبر النظام. يتم توظيف الجيوكيميائيين النفطيين من قبل شركات النفط والغاز للمساعدة في العثور على احتياطيات طاقة جديدة. قد تعمل أيضًا على خطوط الأنابيب ومنصات النفط لمنع التفاعلات الكيميائية التي يمكن أن تسبب انفجارات أو انسكابات.
كيمياء الطب الشرعي
يقوم كيميائيو الطب الشرعي بالتقاط وتحليل الأدلة المادية المتروكة في مسرح الجريمة للمساعدة في تحديد هويات الأشخاص المعنيين وكذلك للإجابة على أسئلة حيوية أخرى تتعلق بكيفية وسبب تنفيذ الجريمة. يستخدم علماء الطب الشرعي مجموعة واسعة من طرق التحليل ، مثل اللوني ، وقياس الطيف ، والتحليل الطيفي.
في بحث جديد ظهر في مجلة الجمعية الأمريكية لقياس الطيف الكتلي ، شرع علماء من قسم الكيمياء في جامعة ولاية لويزيانا (LSU) في تطبيق تكنولوجيا الليزر في مجال علم الطب الشرعي.
لقد طوروا نظامًا يتجاوز التعرف على بصمات الأصابع. يمكن لهذه التقنية التقاط الجزيئات الموجودة داخل علامة الأصابع ، بما في ذلك الدهون والبروتينات والمواد الوراثية ، أو حتى كميات ضئيلة من المتفجرات ، والتي يمكن تحليلها بشكل أكبر. تعمل الأداة الجديدة بشكل أساسي على إزالة الغموض من تحديد التركيب الكيميائي لعلامات الأصابع في مسرح الجريمة.
الأداة تركز الليزر - باستخدام المرايا والألياف البصرية - على سطح يحتوي على علامة الأصابع. بعد ذلك يقوم الليزر بتسخين أي ماء أو رطوبة على السطح ، مما يؤدي إلى روابط كيميائية في الماء لتمتد وتهتز ، وفقًا لمدونة LSU College of Science. كل هذه الطاقة المركزة تجعل الماء "ينفجر" ويحوله إلى غاز ويفصل الجزيئات الحيوية مثل الحمض النووي. تسمى هذه العملية الاستئصال بالليزر.
بعد ذلك ، يسحب نظام مضخة التفريغ الصغيرة الماء والجزيئات إلى فلتر صغير يلتقط كل شيء خلفه بإصبع الشخص. يمكن لعلماء الطب الشرعي بعد ذلك وضع المحتويات في جهاز تحليل مثل مطياف الكتلة أو مطياف الكتلة اللوني للغاز.
والأهم من ذلك ، أن تقنية الاستئصال بالليزر هذه يمكنها بسهولة التقاط علامات الأصابع على الأسطح المسامية ، مثل الكرتون (التي لم تكن طرق الطب الشرعي التقليدية ناجحة للغاية).
لاختبار أسلوبهم الجديد ، وضع الباحثون بصمات الأصابع على العديد من أنواع الأسطح المختلفة ، بما في ذلك الزجاج والبلاستيك والألمنيوم والكرتون. تم ربط هذه العلامات بمواد متنوعة مثل الكافيين ، كريم مطهر ، مواد تشحيم الواقي الذكري و TNT ، وفقًا لـ LSU College of Science Blog. بعد كل التقاط لعلامة الأصابع ، تمكن الكيميائيون من تحديد هذه المواد باستخدام قياس الطيف الكتلي.
