La chimica è lo studio della materia, le sue proprietà, come e perché le sostanze si combinano o si separano per formare altre sostanze e come le sostanze interagiscono con l'energia. Molte persone pensano ai chimici come scienziati rivestiti di bianco che mescolano strani liquidi in un laboratorio, ma la verità è che siamo tutti chimici. Comprendere i concetti di chimica di base è importante per quasi tutte le professioni. La chimica fa parte di tutto nelle nostre vite.
Ogni materiale esistente è costituito dalla materia, persino dai nostri corpi. La chimica è coinvolta in tutto ciò che facciamo, dalla coltivazione e cottura dei cibi alla pulizia delle nostre case e dei nostri corpi fino al lancio di una navetta spaziale. La chimica è una delle scienze fisiche che ci aiutano a descrivere e spiegare il nostro mondo.
Cinque rami
Esistono cinque rami principali della chimica, ognuno dei quali ha molte aree di studio.
Chimica analitica utilizza l'osservazione qualitativa e quantitativa per identificare e misurare le proprietà fisiche e chimiche delle sostanze. In un certo senso, tutta la chimica è analitica.
Chimica fisica combina chimica e fisica. I chimici fisici studiano come la materia e l'energia interagiscono. La termodinamica e la meccanica quantistica sono due dei rami importanti della chimica fisica.
Chimica organica studia specificamente composti che contengono l'elemento carbonio. Il carbonio ha molte proprietà uniche che gli consentono di formare legami chimici complessi e molecole molto grandi. La chimica organica è conosciuta come la "chimica della vita" perché tutte le molecole che compongono il tessuto vivente hanno il carbonio come parte della loro composizione.
Chimica inorganica studia materiali come metalli e gas che non hanno carbonio come parte della loro composizione.
Biochimica è lo studio dei processi chimici che si verificano all'interno degli organismi viventi.
Campi di studio
All'interno di queste ampie categorie ci sono innumerevoli campi di studio, molti dei quali hanno effetti importanti sulla nostra vita quotidiana. I chimici migliorano molti prodotti, dal cibo che mangiamo e l'abbigliamento che indossiamo ai materiali con cui costruiamo le nostre case. La chimica aiuta a proteggere il nostro ambiente e cerca nuove fonti di energia.
Chimica degli alimenti
La scienza alimentare si occupa dei tre componenti biologici del cibo: carboidrati, lipidi e proteine. I carboidrati sono zuccheri e amidi, i carburanti chimici necessari per il funzionamento delle nostre cellule. I lipidi sono grassi e oli e sono parti essenziali delle membrane cellulari e per lubrificare e attutire gli organi all'interno del corpo. Poiché i grassi hanno 2,25 volte l'energia per grammo rispetto ai carboidrati o alle proteine, molte persone cercano di limitare l'assunzione per evitare il sovrappeso. Le proteine sono molecole complesse composte da 100 a 500 o più aminoacidi che sono incatenati insieme e piegati in forme tridimensionali necessarie per la struttura e la funzione di ogni cellula. I nostri corpi possono sintetizzare alcuni degli aminoacidi; tuttavia otto di essi, gli aminoacidi essenziali, devono essere assunti come parte del nostro cibo. Gli scienziati alimentari si occupano anche dei componenti inorganici degli alimenti come il contenuto di acqua, minerali, vitamine ed enzimi.
I chimici degli alimenti migliorano la qualità, la sicurezza, la conservazione e il gusto dei nostri alimenti. I chimici degli alimenti possono lavorare per l'industria privata per sviluppare nuovi prodotti o migliorare la lavorazione. Possono anche lavorare per agenzie governative come la Food and Drug Administration per ispezionare i prodotti alimentari e i gestori per proteggerci dalla contaminazione o dalle pratiche dannose. I chimici degli alimenti testano i prodotti per fornire informazioni utilizzate per le etichette nutrizionali o per determinare in che modo l'imballaggio e la conservazione influiscono sulla sicurezza e sulla qualità degli alimenti. I sapori lavorano con sostanze chimiche per cambiare il gusto del cibo. I chimici possono anche lavorare su altri modi per migliorare l'appeal sensoriale, come migliorare il colore, l'odore o la consistenza.
Chimica ambientale
I chimici ambientali studiano come le sostanze chimiche interagiscono con l'ambiente naturale. La chimica ambientale è uno studio interdisciplinare che coinvolge sia la chimica analitica che la comprensione della scienza ambientale. I chimici ambientali devono prima comprendere le sostanze chimiche e le reazioni chimiche presenti nei processi naturali nell'acqua e nell'aria del suolo. Il campionamento e l'analisi possono quindi determinare se le attività umane hanno contaminato l'ambiente o causato reazioni dannose.
La qualità dell'acqua è un'area importante della chimica ambientale. L'acqua "pura" non esiste in natura; ha sempre alcuni minerali o altre sostanze disciolti in esso. I chimici della qualità dell'acqua testano fiumi, laghi e acque oceaniche per caratteristiche come ossigeno disciolto, salinità, torbidità, sedimenti sospesi e pH. L'acqua destinata al consumo umano deve essere priva di contaminanti dannosi e può essere trattata con additivi come fluoro e cloro per aumentarne la sicurezza.
Chimica agraria
La chimica agricola si occupa delle sostanze e delle reazioni chimiche che sono coinvolte nella produzione, protezione e uso di colture e bestiame. È un campo altamente interdisciplinare che si basa su legami con molte altre scienze. I chimici agricoli possono collaborare con il Dipartimento dell'Agricoltura, l'Agenzia per la protezione ambientale, la Food and Drug Administration o per l'industria privata. I chimici agricoli sviluppano fertilizzanti, insetticidi ed erbicidi necessari per la produzione di colture su larga scala. Devono inoltre monitorare l'utilizzo di questi prodotti e il loro impatto sull'ambiente. Gli integratori alimentari sono stati sviluppati per aumentare la produttività della carne e delle mandrie da latte.
La biotecnologia agricola è un obiettivo in rapida crescita per molti chimici agricoli. Manipolare geneticamente le colture per resistere agli erbicidi usati per controllare le erbe infestanti nei campi richiede una comprensione dettagliata sia delle piante che dei prodotti chimici a livello molecolare. I biochimici devono comprendere la genetica, la chimica e le esigenze aziendali per sviluppare colture che siano più facili da trasportare o che abbiano una shelf life più lunga.
Ingegneria Chimica
Gli ingegneri chimici ricercano e sviluppano nuovi materiali o processi che comportano reazioni chimiche. L'ingegneria chimica combina un background in chimica con concetti di ingegneria ed economia per risolvere i problemi tecnologici. I lavori di ingegneria chimica rientrano in due gruppi principali: applicazioni industriali e sviluppo di nuovi prodotti.
Le industrie richiedono agli ingegneri chimici di escogitare nuovi modi per rendere la produzione dei loro prodotti più semplice ed economica. Gli ingegneri chimici sono coinvolti nella progettazione e gestione di impianti di lavorazione, sviluppano procedure di sicurezza per la manipolazione di materiali pericolosi e supervisionano la produzione di quasi tutti i prodotti che utilizziamo. Gli ingegneri chimici lavorano per sviluppare nuovi prodotti e processi in ogni campo, dai prodotti farmaceutici ai carburanti e ai componenti per computer.
Geochimica
I geochimici combinano chimica e geologia per studiare la composizione e l'interazione tra le sostanze presenti nella Terra. I geochimici possono dedicare più tempo agli studi sul campo rispetto ad altri tipi di chimici. Molti lavorano per l'US Geological Survey o l'Agenzia per la protezione ambientale nel determinare in che modo le operazioni di estrazione e i rifiuti possono influenzare la qualità dell'acqua e l'ambiente. Possono recarsi in miniere abbandonate remote per raccogliere campioni ed eseguire valutazioni approssimative sul campo, quindi seguire un flusso attraverso il suo spartiacque per valutare il modo in cui i contaminanti si muovono attraverso il sistema. I geochimici del petrolio sono impiegati dalle compagnie petrolifere e del gas per aiutare a trovare nuove riserve di energia. Possono anche lavorare su condutture e piattaforme petrolifere per prevenire reazioni chimiche che potrebbero causare esplosioni o sversamenti.
Chimica forense
I chimici forensi catturano e analizzano le prove fisiche lasciate sulla scena del crimine per aiutare a determinare le identità delle persone coinvolte e per rispondere ad altre domande vitali su come e perché il crimine è stato compiuto. I chimici forensi utilizzano un'ampia varietà di metodi di analisi, quali cromatografia, spettrometria e spettroscopia.
In una nuova ricerca pubblicata sul Journal of American Society of Mass Spectrometry, gli scienziati del dipartimento di chimica della Louisiana State University (LSU) hanno deciso di applicare la tecnologia laser nel campo della scienza forense.
Hanno sviluppato un sistema che va al di là dell'identificazione di un'impronta digitale. La tecnica è in grado di catturare molecole contenute in un diteggiatura, inclusi lipidi, proteine, materiale genetico o persino tracce di esplosivi, che possono essere ulteriormente analizzati. Il nuovo strumento essenzialmente toglie il mistero dall'identificare la composizione chimica dei nomi delle dita sulle scene del crimine.
Lo strumento focalizza un laser - usando specchi e fibre ottiche - su una superficie contenente un segno di un dito. Il laser quindi riscalda l'acqua o l'umidità sulla superficie, innescando i legami chimici nell'acqua per allungare e vibrare, secondo il LSU College of Science Blog. Tutta questa energia focalizzata fa “esplodere” l'acqua, trasformandola in un gas e separando biomolecole come il DNA. Questo processo si chiama ablazione laser.
Successivamente un piccolo sistema di pompa a vuoto attira l'acqua e le molecole in un minuscolo filtro che cattura tutto ciò che viene lasciato dal dito di una persona. Gli scienziati forensi possono quindi inserire il contenuto in un dispositivo di analisi come uno spettrometro di massa o uno spettrometro a gas cromatografia-massa.
È importante sottolineare che questa tecnica di ablazione laser può facilmente catturare le impronte digitali su superfici porose, come il cartone (su cui i metodi forensi tradizionali non hanno avuto molto successo).
Per testare la loro nuova tecnica, i ricercatori hanno posizionato i segni delle dita su molti tipi di superfici diverse, tra cui vetro, plastica, alluminio e cartone. Questi nomi delle unghie erano pieni di sostanze diverse come caffeina, crema antisettica, lubrificanti per preservativi e TNT, secondo il LSU College of Science Blog. Dopo ogni acquisizione di un diteggiatura, i chimici sono stati in grado di identificare queste sostanze usando la spettrometria di massa.
