Keemia on mateeria, selle omaduste uurimine, kuidas ja miks ained kombineeruvad või eralduvad teiste ainete moodustamiseks ning kuidas ained interakteeruvad energiaga. Paljud inimesed arvavad, et keemikud on valge kattega teadlased, kes segavad laboris kummalisi vedelikke, kuid tõde on see, et me kõik oleme keemikud. Keemia põhimõistete mõistmine on oluline peaaegu iga ameti jaoks. Keemia on osa kõigest meie elus.
Iga olemasolev materjal koosneb ainest - isegi meie enda kehadest. Keemia on seotud kõigega, mida me teeme, alates toidu kasvatamisest ja keetmisest kuni kodude ja kehade puhastamiseni kosmosesüstiku käivitamiseni. Keemia on üks füüsikalistest teadustest, mis aitab meil oma maailma kirjeldada ja selgitada.
Viis haru
Keemia on viis peamist haru, millest kõigil on palju õppevaldkondi.
Analüütiline keemia kasutab ainete füüsikaliste ja keemiliste omaduste tuvastamiseks ja mõõtmiseks kvalitatiivset ja kvantitatiivset vaatlust. Teatud mõttes on kogu keemia analüütiline.
Füüsikaline keemia ühendab keemia füüsikaga. Füüsikalised keemikud uurivad, kuidas mateeria ja energia interakteeruvad. Termodünaamika ja kvantmehaanika on kaks olulist füüsikalise keemia haru.
Orgaaniline keemia uurib eriti ühendeid, mis sisaldavad elementi süsinikku. Süsinikul on palju ainulaadseid omadusi, mis võimaldavad sellel moodustada keerulisi keemilisi sidemeid ja väga suuri molekule. Orgaaniline keemia on tuntud kui “elukeemia”, kuna kõigil eluskoest koosnevatel molekulidel on meigi koostises süsinik.
Anorgaaniline keemia uurib selliseid materjale nagu metallid ja gaasid, mille meigi osana pole süsinikku.
Biokeemia on elusorganismides toimuvate keemiliste protsesside uurimine.
Õppealad
Nendes laiades kategooriates on lugematu arv õppesuundi, millest paljudel on oluline mõju meie igapäevaelule. Keemikud täiustavad paljusid tooteid, alates toidust, mida me sööme, ja rõivastest, mida me kanname, kuni materjalidest, millega me oma kodusid ehitame. Keemia aitab kaitsta meie keskkonda ja otsib uusi energiaallikaid.
Toidukeemia
Toiduteadus käsitleb toidu kolme bioloogilist komponenti - süsivesikuid, lipiide ja valke. Süsivesikud on suhkrud ja tärklised, meie rakkude funktsioneerimiseks vajalikud keemilised kütused. Lipiidid on rasvad ja õlid ning on rakumembraanide olulised osad ning kehas olevate elundite määrimiseks ja polsterdamiseks. Kuna rasvade energia on grammi kohta 2,25 korda suurem kui süsivesikute või valkude puhul, püüavad paljud inimesed ülekaalu vältimiseks oma tarbimist piirata. Valgud on keerulised molekulid, mis koosnevad 100 kuni 500 või enamast aminohappest, mis on aheldatud kokku ja volditud kolmemõõtmelisteks kujunditeks, mis on vajalikud iga raku struktuuriks ja funktsiooniks. Meie keha suudab sünteesida mõnda aminohapet; neist kaheksa, asendamatud aminohapped, tuleb siiski võtta meie toidusedelisse. Toiduteadlased tegelevad ka toidu anorgaaniliste komponentidega, näiteks selle veesisalduse, mineraalide, vitamiinide ja ensüümidega.
Toidukeemikud parandavad meie toidu kvaliteeti, ohutust, säilitamist ja maitset. Toidukeemikud võivad eratööstuses töötada välja uute toodete väljatöötamise või töötlemise parandamise. Nad võivad töötada ka valitsusasutustes, näiteks toidu- ja ravimiametis, et kontrollida toiduaineid ja käitlejaid, et kaitsta meid saastumise või kahjulike tavade eest. Toidukeemikud katsetavad tooteid, et saada teavet toitumismärgistuse jaoks või teha kindlaks, kuidas pakend ja ladustamine mõjutavad toidu ohutust ja kvaliteeti. Maitsemeistrid töötavad toidu maitse muutmiseks kemikaalidega. Keemikud võivad sensoorse veetluse parandamiseks töötada ka muudel viisidel, näiteks värvi, lõhna või tekstuuri parendamiseks.
Keskkonnakeemia
Keskkonnakeemikud uurivad, kuidas kemikaalid mõjutavad looduskeskkonda. Keskkonnakeemia on interdistsiplinaarne uuring, mis hõlmab nii analüütilist keemiat kui ka keskkonnateaduse mõistmist. Keskkonnakeemikud peavad kõigepealt mõistma pinnase vees ja õhus looduslike protsesside käigus esinevaid kemikaale ja keemilisi reaktsioone. Proovide võtmise ja analüüsiga saab siis kindlaks teha, kas inimtegevus on keskkonda saastanud või põhjustanud keskkonnale kahjulikke reaktsioone.
Vee kvaliteet on keskkonnakeemia oluline valdkond. Looduses pole puhast vett; selles on alati lahustunud mõni mineraal või muu aine. Veekvaliteedi keemikud kontrollivad jõgede, järvede ja ookeanivee omadusi nagu lahustunud hapnik, soolsus, hägusus, hõljuvad setted ja pH. Inimtoiduks ettenähtud vesi peab olema vaba kahjulikest saasteainetest ja selle ohutuse suurendamiseks võib seda töödelda lisaainetega, nagu fluoriid ja kloor.
Põllumajanduskeemia
Põllumajanduskeemia on seotud ainete ja keemiliste reaktsioonidega, mis on seotud põllukultuuride ja kariloomade tootmise, kaitse ja kasutamisega. See on väga interdistsiplinaarne valdkond, mis tugineb sidemetele paljude teiste teadustega. Põllumajanduskeemikud võivad teha koostööd põllumajanduse osakonna, keskkonnakaitseameti, toidu- ja ravimiametiga või erasektori jaoks. Põllumajanduskeemikud arendavad väetisi, insektitsiide ja herbitsiide, mis on vajalikud suuremahuliseks taimekasvatuseks. Samuti peavad nad jälgima, kuidas neid tooteid kasutatakse ja kuidas need mõjutavad keskkonda. Liha- ja piimakarja produktiivsuse suurendamiseks töötatakse välja toidulisandid.
Põllumajanduse biotehnoloogia on paljude põllumajanduse keemikute jaoks kiiresti kasvav tähelepanu. Põldude umbrohutõrjeks kasutatavate herbitsiidide suhtes resistentsete põllukultuuride geneetiline manipuleerimine nõuab nii taimede kui ka kemikaalide detailset tundmist molekulaarsel tasemel. Biokeemikud peavad mõistma geneetikat, keemia- ja ärivajadusi, et arendada põllukultuure, mida oleks lihtsam transportida või millel on pikem säilivusaeg.
Keemiatehnoloogia
Keemiainsenerid uurivad ja arendavad uusi materjale või protsesse, mis hõlmavad keemilisi reaktsioone. Keemiatehnika ühendab keemia tausta tehnika- ja majanduskontseptsioonidega, et lahendada tehnoloogilisi probleeme. Keemiatehnoloogia töökohad jagunevad kahte põhirühma: tööstuslikud rakendused ja uute toodete väljatöötamine.
Tööstusharud nõuavad keemiainseneridelt, et nad töötaksid välja uusi viise, kuidas oma toodete valmistamist lihtsamaks ja kulutõhusamaks muuta. Keemiainsenerid on kaasatud töötlemisettevõtete kavandamisse ja käitamisse, töötavad välja ohutusprotseduurid ohtlike materjalide käitlemiseks ja kontrollivad peaaegu kõigi meie kasutatavate toodete tootmist. Keemiainsenerid töötavad välja uute toodete ja protsesside väljatöötamine igas valdkonnas alates farmaatsiatoodetest kuni kütuste ja arvutikomponentideni.
Geokeemia
Geokeemikud ühendavad Maal leiduvate ainete meigi ja koostoime uurimiseks keemia ja geoloogia. Geokeemikud võivad välitöödel veeta rohkem aega kui muud tüüpi keemikud. Paljud töötavad USA geoloogiakeskuse või keskkonnakaitseagentuuri heaks, määrates, kuidas kaevandustegevus ja jäätmed võivad vee kvaliteeti ja keskkonda mõjutada. Nad võivad reisida kaugetesse mahajäetud kaevandustesse, et koguda proove ja teha umbkaudseid põldude hinnanguid, ning järgida seejärel vooluveekogu kaudu voolu, et hinnata, kuidas saasteained süsteemis liiguvad. Naftageodeemid töötavad nafta- ja gaasiettevõtetes, et aidata leida uusi energiavarusid. Samuti võivad nad töötada torujuhtmetel ja naftapuurimisplatvormidel, et vältida keemilisi reaktsioone, mis võivad põhjustada plahvatusi või lekkeid.
Kohtuekspertiisi keemia
Kohtuekspertide keemikud hõivavad ja analüüsivad kuriteopaigale maha jäetud asitõendeid, et aidata kindlaks teha seotud inimeste identiteeti ning vastata muudele eluliselt olulistele küsimustele, kuidas ja miks kuritegu toime pandi. Kohtueksemikud kasutavad mitmesuguseid analüüsimeetodeid, näiteks kromatograafiat, spektromeetriat ja spektroskoopiat.
Uue uurimistööna, mis ilmus Ameerika massispektromeetria ühingu ajakirjas, otsustasid Louisiana osariigi ülikooli (LSU) keemiaosakonna teadlased kohaldada lasertehnoloogiat kohtuekspertiisi valdkonnas.
Nad töötasid välja süsteemi, mis ulatub sõrmejälje tuvastamisest kaugemale. Selle meetodiga saab hõivata sõrmejäljes sisalduvaid molekule, sealhulgas lipiide, valke, geneetilist materjali või isegi lõhkeainete koguseid, mida saab täiendavalt analüüsida. Uus tööriist eemaldab mõistatuselt sõrmejälgede keemilise koostise tuvastamise kuriteopaigas.
Tööriist teravustab peeglite ja optiliste kiudude abil laseriga sõrmejälge sisaldava pinna. Seejärel soojendab laser LSU teaduskolledži ajaveebi andmetel pinnal olevat vett või niiskust, vallandades vees venivad ja vibreerivad keemilised sidemed. Kogu see fokusseeritud energia põhjustab vee plahvatuse, muutes selle gaasiks ja eraldades sellised biomolekulid nagu DNA. Seda protsessi nimetatakse laserablatsiooniks.
Järgmisena tõmbab väike vaakumpumbasüsteem vee ja molekulid pisikesse filtrisse, mis haarab kõik inimese sõrme taha jäänud. Seejärel saavad kriminalistikad panna sisu analüüsiseadmesse nagu massispektromeeter või gaasikromatograafia-massispektromeeter.
Oluline on see, et see laser-ablatsioonitehnika suudab hõlpsalt sõrmejälgi jäädvustada poorsetele pindadele, näiteks kartongile (millel traditsioonilised kohtuekspertiisi meetodid pole olnud eriti edukad).
Uue tehnika katsetamiseks panid teadlased sõrmejäljed paljudele erinevatele pinnatüüpidele, sealhulgas klaasile, plastile, alumiiniumile ja papile. Need sõrmejäljed olid LSU teaduskõrgkooli ajaveebi andmetel paelutatud nii mitmekesiste ainetega nagu kofeiin, antiseptiline kreem, kondoomimäärded ja TNT. Pärast iga sõrmejälje püüdmist suutsid keemikud massispektromeetria abil neid aineid tuvastada.
