Hóa học

Hóa sinh

Khi sự hiểu biết về hóa học vô tri phát triển trong thế kỷ 19, những nỗ lực diễn giải các quá trình sinh lý của các sinh vật sống theo cấu trúc phân tử và khả năng phản ứng đã dẫn đến kỷ luật hóa sinh. Các nhà hóa sinh sử dụng các kỹ thuật và lý thuyết hóa học để thăm dò cơ sở phân tử của sự sống. Một sinh vật được điều tra với tiền đề rằng các quá trình sinh lý của nó là hậu quả của hàng ngàn phản ứng hóa học xảy ra theo cách tích hợp cao. Các nhà hóa sinh đã thiết lập, trong số những thứ khác, các nguyên tắc nền tảng truyền năng lượng trong tế bào, cấu trúc hóa học của màng tế bào, mã hóa và truyền thông tin di truyền, chức năng cơ bắp và thần kinh và con đường sinh tổng hợp. Trên thực tế, các phân tử sinh học liên quan đã được tìm thấy để thực hiện vai trò tương tự trong các sinh vật khác nhau như vi khuẩn và con người. Việc nghiên cứu các phân tử sinh học, tuy nhiên, đưa ra nhiều khó khăn. Các phân tử như vậy thường rất lớn và thể hiện sự phức tạp lớn về cấu trúc; hơn nữa, các phản ứng hóa học mà chúng trải qua thường cực kỳ nhanh. Chẳng hạn, sự phân tách của hai chuỗi DNA xảy ra trong một phần triệu giây. Tốc độ phản ứng nhanh như vậy chỉ có thể thông qua hoạt động trung gian của các phân tử sinh học gọi là enzyme. Enzyme là các protein có khả năng tăng tốc đáng chú ý đối với cấu trúc hóa học ba chiều của chúng. Không có gì đáng ngạc nhiên, những khám phá sinh hóa đã có tác động lớn đến sự hiểu biết và điều trị bệnh. Nhiều bệnh do các sai sót bẩm sinh của quá trình trao đổi chất đã được bắt nguồn từ các khiếm khuyết di truyền cụ thể. Các bệnh khác là kết quả của sự gián đoạn trong con đường sinh hóa bình thường.

lịch sử công nghệ: Hóa học

Đóng góp của Robert Boyle cho lý thuyết về sức mạnh hơi nước đã được đề cập, nhưng Boyle thường được công nhận là cha đẻ của hóa học, Hồi

Thông thường, các triệu chứng có thể được giảm bớt bằng thuốc, và khám phá, phương thức hành động và suy thoái của các tác nhân trị liệu là một trong những lĩnh vực nghiên cứu chính trong hóa sinh. Nhiễm vi khuẩn có thể được điều trị bằng sulfonamid, penicillin và tetracycline, và nghiên cứu về nhiễm virus đã cho thấy hiệu quả của acyclovir chống lại virus herpes. Có nhiều quan tâm hiện nay trong các chi tiết về sinh ung thư và hóa trị ung thư. Ví dụ, người ta biết rằng ung thư có thể xảy ra khi các phân tử gây ung thư, hoặc các chất gây ung thư khi chúng được gọi, phản ứng với axit nucleic và protein và can thiệp vào các phương thức hoạt động bình thường của chúng. Các nhà nghiên cứu đã phát triển các xét nghiệm có thể xác định các phân tử có khả năng gây ung thư. Tất nhiên, hy vọng là sự tiến bộ trong phòng ngừa và điều trị ung thư sẽ tăng tốc một khi cơ sở sinh hóa của bệnh được hiểu rõ hơn.

Cơ sở phân tử của các quá trình sinh học là một tính năng thiết yếu của các ngành phát triển nhanh chóng của sinh học phân tử và công nghệ sinh học. Hóa học đã phát triển các phương pháp để xác định nhanh chóng và chính xác cấu trúc của protein và DNA. Ngoài ra, các phương pháp phòng thí nghiệm hiệu quả để tổng hợp gen đang được nghĩ ra. Cuối cùng, việc điều chỉnh các bệnh di truyền bằng cách thay thế các gen khiếm khuyết bằng các gen bình thường có thể trở nên khả thi.

Hóa học polymer

Chất ethylene đơn giản là một loại khí gồm các phân tử có công thức CH ₂ CH ₂. Trong một số điều kiện nhất định, nhiều phân tử ethylene sẽ kết hợp với nhau để tạo thành một chuỗi dài gọi là polyetylen, với công thức (CH ₂ CH ₂) _n, trong đó n là một biến số nhưng số lượng lớn. Polyetylen là một vật liệu rắn bền, bền khác với ethylene. Đó là một ví dụ về polymer, là một phân tử lớn được tạo thành từ nhiều phân tử nhỏ hơn (monome), thường được nối với nhau theo kiểu tuyến tính. Nhiều chất tự nhiên, bao gồm cellulose, tinh bột, bông, len, cao su, da, protein và DNA, là các polyme. Polyetylen, nylon và acrylic là những ví dụ về polyme tổng hợp. Nghiên cứu về các vật liệu như vậy nằm trong lĩnh vực hóa học polymer, một chuyên ngành đã phát triển mạnh trong thế kỷ 20. Việc điều tra các polyme tự nhiên trùng lặp đáng kể với hóa sinh, nhưng việc tổng hợp các polyme mới, điều tra các quá trình trùng hợp và đặc tính cấu trúc và tính chất của vật liệu polyme đều gây ra các vấn đề duy nhất cho các nhà hóa học polymer.

Các nhà hóa học polymer đã thiết kế và tổng hợp các polyme khác nhau về độ cứng, tính linh hoạt, nhiệt độ làm mềm, độ hòa tan trong nước và khả năng phân hủy sinh học. Họ đã sản xuất vật liệu polymer mạnh như thép nhưng nhẹ hơn và chống ăn mòn hơn. Các đường ống dẫn dầu, khí tự nhiên và nước hiện được xây dựng thường xuyên bằng ống nhựa. Trong những năm gần đây, các nhà sản xuất ô tô đã tăng cường sử dụng các thành phần nhựa để chế tạo các phương tiện nhẹ hơn tiêu thụ ít nhiên liệu hơn. Các ngành công nghiệp khác như sản xuất hàng dệt, cao su, giấy và vật liệu đóng gói được xây dựng dựa trên hóa học polymer.

Bên cạnh việc sản xuất các loại vật liệu polymer mới, các nhà nghiên cứu còn quan tâm đến việc phát triển các chất xúc tác đặc biệt được yêu cầu bởi sự tổng hợp công nghiệp quy mô lớn của các polyme thương mại. Nếu không có chất xúc tác như vậy, quá trình trùng hợp sẽ rất chậm trong một số trường hợp nhất định.

Hóa lý

Nhiều ngành hóa học, chẳng hạn như những ngành đã được thảo luận, tập trung vào một số loại vật liệu có chung đặc điểm cấu trúc và hóa học. Các đặc sản khác có thể tập trung không phải vào một nhóm các chất mà là các tương tác và biến đổi của chúng. Các lĩnh vực lâu đời nhất là hóa học vật lý, tìm cách đo lường, tương quan và giải thích các khía cạnh định lượng của các quá trình hóa học. Chẳng hạn, nhà hóa học người Anh gốc Ireland, Robert Boyle, đã phát hiện ra vào thế kỷ 17 rằng ở nhiệt độ phòng, thể tích của một lượng khí cố định giảm tỷ lệ thuận khi áp suất của nó tăng lên. Do đó, đối với một chất khí ở nhiệt độ không đổi, tích của thể tích V và áp suất P của nó bằng một số không đổi, tức là PV = hằng số. Một mối quan hệ số học đơn giản như vậy có giá trị đối với gần như tất cả các khí ở nhiệt độ phòng và ở áp suất bằng hoặc ít hơn một bầu khí quyển. Công việc tiếp theo đã chỉ ra rằng mối quan hệ mất đi tính hợp lệ ở áp suất cao hơn, nhưng các biểu thức phức tạp hơn phù hợp chính xác hơn với kết quả thử nghiệm có thể được rút ra. Việc phát hiện và điều tra các quy luật hóa học như vậy, thường được gọi là quy luật tự nhiên, nằm trong lĩnh vực hóa học vật lý. Trong phần lớn của thế kỷ 18, nguồn chính quy toán học trong các hệ thống hóa học được coi là sự liên tục của các lực và trường bao quanh các nguyên tử tạo thành các nguyên tố và hợp chất hóa học. Tuy nhiên, sự phát triển trong thế kỷ 20 đã chỉ ra rằng hành vi hóa học được giải thích tốt nhất bằng một mô hình cơ học lượng tử về cấu trúc nguyên tử và phân tử. Ngành hóa học vật lý chủ yếu dành cho môn học này là hóa học lý thuyết. Các nhà hóa học lý thuyết sử dụng rộng rãi các máy tính để giúp họ giải các phương trình toán học phức tạp. Các ngành hóa học vật lý khác bao gồm nhiệt động hóa học, liên quan đến mối quan hệ giữa nhiệt và các dạng năng lượng hóa học khác, và động học hóa học, tìm cách đo và hiểu tốc độ của các phản ứng hóa học. Điện hóa học điều tra mối tương quan của sự thay đổi dòng điện và hóa học. Việc truyền dòng điện qua dung dịch hóa học gây ra những thay đổi trong các chất cấu thành thường có thể đảo ngược, tức là trong các điều kiện khác nhau, chính các chất bị biến đổi sẽ tạo ra dòng điện. Pin thông thường chứa các chất hóa học, khi đặt tiếp xúc với nhau bằng cách đóng mạch điện, sẽ cung cấp dòng điện ở điện áp không đổi cho đến khi các chất được tiêu thụ. Hiện tại có nhiều quan tâm đến các thiết bị có thể sử dụng năng lượng trong ánh sáng mặt trời để điều khiển các phản ứng hóa học có sản phẩm có khả năng lưu trữ năng lượng. Việc phát hiện ra các thiết bị như vậy sẽ giúp cho việc sử dụng rộng rãi năng lượng mặt trời.

Có nhiều ngành khác trong hóa học vật lý quan tâm nhiều hơn đến các tính chất chung của các chất và sự tương tác giữa các chất so với chính các chất. Quang hóa là một chuyên ngành nghiên cứu sự tương tác của ánh sáng với vật chất. Phản ứng hóa học được bắt đầu bởi sự hấp thụ ánh sáng có thể rất khác với những phản ứng xảy ra bằng các phương tiện khác. Vitamin D, ví dụ, được hình thành trong cơ thể con người khi ergosterol steroid hấp thụ bức xạ mặt trời; ergosterol không thay đổi thành vitamin D trong bóng tối.

Một phân ngành phát triển nhanh chóng của hóa học vật lý là hóa học bề mặt. Nó kiểm tra các thuộc tính của các bề mặt hóa học, dựa nhiều vào các dụng cụ có thể cung cấp một hồ sơ hóa học của các bề mặt đó. Bất cứ khi nào chất rắn tiếp xúc với chất lỏng hoặc chất khí, phản ứng xảy ra ban đầu trên bề mặt chất rắn và tính chất của nó có thể thay đổi đáng kể. Nhôm là một trường hợp điển hình: nó có khả năng chống ăn mòn chính xác vì bề mặt của kim loại nguyên chất phản ứng với oxy tạo thành một lớp oxit nhôm, phục vụ để bảo vệ bên trong kim loại khỏi bị oxy hóa hơn nữa. Nhiều chất xúc tác phản ứng thực hiện chức năng của chúng bằng cách cung cấp bề mặt phản ứng mà các chất có thể phản ứng.