Ķīmija ir matērijas, tās īpašību izpēte, kā un kāpēc vielas apvienojas vai atdalās, veidojot citas vielas, un kā vielas mijiedarbojas ar enerģiju. Daudzi cilvēki ķīmiķus domā kā zinātniekus ar baltu pārklājumu, kas laboratorijā sajauc dīvainus šķidrumus, taču patiesība ir tāda, ka mēs visi esam ķīmiķi. Izpratne par ķīmijas pamatjēdzieniem ir svarīga gandrīz katrai profesijai. Ķīmija ir daļa no visa mūsu dzīves.
Katru esošo materiālu veido matērija - pat mūsu ķermeņi. Ķīmija ir iesaistīta visā, ko mēs darām, sākot no pārtikas audzēšanas un gatavošanas līdz mūsu māju un ķermeņa tīrīšanai un beidzot ar kosmosa atspoles palaišanu. Ķīmija ir viena no fiziskajām zinātnēm, kas palīdz mums aprakstīt un izskaidrot mūsu pasauli.
Piecas filiāles
Ir piecas galvenās ķīmijas nozares, no kurām katrai ir daudz pētījumu jomu.
Analītiskā ķīmija izmanto kvalitatīvu un kvantitatīvu novērošanu, lai identificētu un izmērītu vielu fizikālās un ķīmiskās īpašības. Savā ziņā visa ķīmija ir analītiska.
Fizikālā ķīmija apvieno ķīmiju ar fiziku. Fizikālie ķīmiķi pēta, kā mijiedarbojas matērija un enerģija. Termodinamika un kvantu mehānika ir divas svarīgas fizikālās ķīmijas nozares.
Organiskā ķīmija īpaši pēta savienojumus, kas satur oglekļa elementu. Ogleklim ir daudz unikālu īpašību, kas ļauj tam veidot sarežģītas ķīmiskās saites un ļoti lielas molekulas. Organiskā ķīmija ir pazīstama kā “dzīves ķīmija”, jo visām molekulām, kas veido dzīvos audus, ir ogleklis.
Neorganiskā ķīmija pēta materiālus, piemēram, metālus un gāzes, kuru kosmētikā nav oglekļa.
Bioķīmija ir dzīvu organismu vidē notiekošo ķīmisko procesu izpēte.
Studiju virzieni
Šajās plašajās kategorijās ir neskaitāmas pētījumu jomas, no kurām daudzām ir būtiska ietekme uz mūsu ikdienas dzīvi. Ķīmiķi uzlabo daudzus produktus, sākot no pārtikas, ko ēdam, un apģērba, ko valkājam, līdz pat materiāliem, ar kuriem mēs ceļam savas mājas. Ķīmija palīdz aizsargāt mūsu vidi un meklē jaunus enerģijas avotus.
Pārtikas ķīmija
Pārtikas zinātne nodarbojas ar trim pārtikas bioloģiskajiem komponentiem - ogļhidrātiem, lipīdiem un olbaltumvielām. Ogļhidrāti ir cukuri un cietes, ķīmiskā degviela, kas nepieciešama mūsu šūnu funkcionēšanai. Lipīdi ir tauki un eļļas, un tie ir būtiska šūnu membrānu sastāvdaļa, kā arī ķermeņa eļļošanai un amortizēšanai. Tā kā taukiem enerģijas daudzums gramā ir 2,25 reizes lielāks nekā ogļhidrātu vai olbaltumvielu, daudzi cilvēki cenšas ierobežot to uzņemšanu, lai izvairītos no liekā svara. Olbaltumvielas ir sarežģītas molekulas, kas sastāv no 100 līdz 500 vai vairāk aminoskābēm, kuras ir savienotas kopā un salocītas trīsdimensiju formās, kas vajadzīgas katras šūnas uzbūvei un funkcijai. Mūsu ķermenis var sintezēt dažas aminoskābes; tomēr astoņas no tām, neaizstājamās aminoskābes, ir jāuzņem uzturā. Pārtikas zinātnieki ir saistīti arī ar pārtikas neorganiskajiem komponentiem, piemēram, tā ūdens saturu, minerālvielām, vitamīniem un fermentiem.
Pārtikas ķīmiķi uzlabo mūsu pārtikas kvalitāti, drošību, uzglabāšanu un garšu. Pārtikas ķīmiķi var strādāt privātajā rūpniecībā, lai izstrādātu jaunus produktus vai uzlabotu pārstrādi. Viņi var strādāt arī tādās valdības aģentūrās kā Pārtikas un zāļu pārvalde, lai pārbaudītu pārtikas produktus un apstrādātājus, lai pasargātu mūs no piesārņojuma vai kaitīgas prakses. Pārtikas ķīmiķi testē produktus, lai sniegtu uzturvērtības marķējumam izmantoto informāciju vai noteiktu, kā iesaiņojums un uzglabāšana ietekmē pārtikas nekaitīgumu un kvalitāti. Flavoristi strādā ar ķīmiskām vielām, lai mainītu ēdiena garšu. Ķīmiķi var strādāt arī pie citiem veidiem, kā uzlabot maņu pievilcību, piemēram, krāsas, smakas vai faktūras uzlabošanai.
Vides ķīmija
Vides ķīmiķi pēta, kā ķimikālijas mijiedarbojas ar dabisko vidi. Vides ķīmija ir starpnozaru pētījums, kas ietver gan analītisko ķīmiju, gan izpratni par vides zinātni. Vides ķīmiķiem vispirms ir jāsaprot ķīmiskās vielas un ķīmiskās reakcijas, kas atrodas dabiskajos procesos augsnes ūdenī un gaisā. Pēc tam paraugu ņemšana un analīze var noteikt, vai cilvēku darbības ir piesārņojušas vidi vai izraisījušas kaitīgas reakcijas, kas to ietekmē.
Ūdens kvalitāte ir svarīga vides ķīmijas joma. “Tīrs” ūdens dabā neeksistē; tajā vienmēr ir izšķīduši kādi minerāli vai citas vielas. Ūdens kvalitātes ķīmiķi pārbauda upes, ezerus un okeāna ūdeni, lai noteiktu tādas īpašības kā izšķīdušais skābeklis, sāļums, duļķainība, suspendētie nogulumi un pH. Cilvēku patēriņam paredzētajā ūdenī nedrīkst būt kaitīgu piesārņotāju, un, lai palielinātu tā drošību, to var apstrādāt ar tādām piedevām kā fluors un hlors.
Lauksaimniecības ķīmija
Lauksaimniecības ķīmija attiecas uz vielām un ķīmiskajām reakcijām, kas saistītas ar kultūraugu un mājlopu ražošanu, aizsardzību un izmantošanu. Tā ir ļoti starpdisciplināra joma, kas balstīta uz saitēm ar daudzām citām zinātnēm. Lauksaimniecības ķīmiķi var strādāt kopā ar Lauksaimniecības departamentu, Vides aizsardzības aģentūru, Pārtikas un zāļu pārvaldi vai privātajā rūpniecībā. Lauksaimniecības ķīmiķi izstrādā mēslošanas līdzekļus, insekticīdus un herbicīdus, kas nepieciešami liela apjoma augkopībai. Viņiem arī jāuzrauga, kā šie produkti tiek izmantoti un kā tie ietekmē vidi. Lai palielinātu gaļas un piena ganāmpulku produktivitāti, tiek izstrādāti uztura bagātinātāji.
Lauksaimniecības biotehnoloģija daudziem lauksaimniecības ķīmiķiem ir strauji augoša uzmanība. Lai ģenētiski manipulētu ar kultūrām, lai tās būtu izturīgas pret herbicīdiem, ko izmanto nezāļu apkarošanai laukos, ir nepieciešama sīka izpratne gan par augiem, gan ķimikālijām molekulārā līmenī. Bioķīmiķiem ir jāsaprot ģenētika, ķīmija un biznesa vajadzības, lai attīstītu labības, kuras ir vieglāk transportēt vai kurām ir ilgāks glabāšanas laiks.
Ķīmiskā inženierija
Ķīmijas inženieri pēta un izstrādā jaunus materiālus vai procesus, kas saistīti ar ķīmiskām reakcijām. Ķīmiskajā inženierijā tiek apvienota ķīmijas pieredze ar inženierzinātnes un ekonomikas koncepcijām, lai atrisinātu tehnoloģiskās problēmas. Darbavietas ķīmijas inženierijā iedala divās galvenajās grupās: rūpnieciskiem lietojumiem un jaunu produktu izstrādei.
Nozares prasa, lai ķīmijas inženieri izstrādātu jaunus veidus, kā padarīt savu produktu ražošanu vieglāku un rentablāku. Ķīmiskie inženieri ir iesaistīti pārstrādes rūpnīcu projektēšanā un darbībā, izstrādā drošības procedūras bīstamu materiālu apstrādei un uzrauga gandrīz katra mūsu izmantotā produkta ražošanu. Ķīmijas inženieri strādā pie jaunu produktu un procesu izstrādes visās jomās, sākot no farmācijas līdz degvielai un datoru komponentiem.
Ģeoķīmija
Ģeoķīmiķi apvieno ķīmiju un ģeoloģiju, lai izpētītu uz Zemes atrodamo vielu uzbūvi un mijiedarbību. Ģeoķīmiķi var pavadīt vairāk laika lauka pētījumos nekā citi ķīmiķi. Daudzi strādā ASV Ģeoloģijas dienestā vai Vides aizsardzības aģentūrā, nosakot, kā ieguves darbības un atkritumi var ietekmēt ūdens kvalitāti un vidi. Viņi var doties uz attālajām pamestām raktuvēm, lai savāktu paraugus un veiktu aptuvenus lauka novērtējumus, un pēc tam seko straumei pa tās ūdensšķirtni, lai novērtētu, kā piesārņotāji pārvietojas sistēmā. Naftas ģeoķīmiķi strādā naftas un gāzes uzņēmumos, lai palīdzētu atrast jaunas enerģijas rezerves. Viņi var strādāt arī pie cauruļvadiem un naftas platformām, lai novērstu ķīmiskās reakcijas, kas varētu izraisīt eksploziju vai noplūdes.
Kriminālistikas ķīmija
Kriminālistikas ķīmiķi uztver un analizē nozieguma vietā atstātos fiziskos pierādījumus, lai palīdzētu noteikt iesaistīto personu identitāti, kā arī atbildētu uz citiem būtiskiem jautājumiem par to, kā un kāpēc noziegums tika veikts. Kriminālistikas ķīmiķi izmanto ļoti dažādas analīzes metodes, piemēram, hromatogrāfiju, spektrometriju un spektroskopiju.
Jaunajos pētījumos, kas parādās Amerikas Masu spektrometrijas biedrības žurnālā, Luiziānas Valsts universitātes (LSU) ķīmijas nodaļas zinātnieki nolēma lāzera tehnoloģiju pielietot kriminālistikas jomā.
Viņi izstrādāja sistēmu, kas pārsniedz pirkstu nospiedumu identificēšanu. Ar šo paņēmienu var uztvert molekulas, kas atrodas pirkstu marķējumā, ieskaitot lipīdus, olbaltumvielas, ģenētisko materiālu vai pat sprāgstvielu daudzumus, ko var tālāk analizēt. Jaunais rīks būtībā novērš noslēpumu, nosakot pirkstu zīmju ķīmisko sastāvu nozieguma vietās.
Šis rīks fokusē lāzeru - izmantojot spoguļus un optiskās šķiedras - uz virsmas, kurā ir pirkstu zīme. Pēc tam lāzers uzsilda visu ūdeni vai mitrumu uz virsmas, izraisot ķīmiskas saites ūdenī, lai tās izstieptu un vibrētu, liecina LSU Zinātņu koledžas emuārs. Visa šī fokusētā enerģija liek ūdenim “eksplodēt”, pārvēršot to gāzē un atdalot tādas biomolekulas kā DNS. Šo procesu sauc par lāzera ablāciju.
Tālāk neliela vakuuma sūkņa sistēma ievelk ūdeni un molekulas sīkā filtrā, kas uztver visu, kas atstāts no cilvēka pirksta. Pēc tam tiesu medicīnas zinātnieki var ievietot saturu analīzes ierīcē, piemēram, masas spektrometrā vai gāzes hromatogrāfijas-masas spektrometrā.
Svarīgi ir tas, ka šī lāzera ablācijas tehnika var viegli uztvert pirkstu zīmes uz porainām virsmām, piemēram, kartona (uz kuras tradicionālās kriminālistikas metodes nav bijušas ļoti veiksmīgas).
Lai pārbaudītu savu jauno paņēmienu, pētnieki novietoja pirkstu zīmes dažādu veidu virsmām, ieskaitot stiklu, plastmasu, alumīniju un kartonu. Šīs pirkstu zīmes bija piesietas tik dažādām vielām kā kofeīns, antiseptisks krēms, prezervatīvu smērvielas un TNT, liecina LSU Zinātņu koledžas emuārs. Pēc katras pirkstu pēdu uztveršanas ķīmiķi spēja identificēt šīs vielas, izmantojot masu spektrometriju.
