- Помните слова Северус Снейп? О да я обожаю мир Джоан Роулинг
"Вы здесь, чтобы в совершенстве овладеть тонким искусством приготовления снадобий, — начал он. Он говорил практически шепотом, но они ловили каждое слово — как и профессор Мак-Гонагалл, Снэйп умел держать аудиторию — как и профессору Мак-Гонагалл, Снэйпу не надо было прилагать ни малейших усилий, чтобы в классе стояла абсолютная тишина. — «Так как здесь практически нет дурацких размахиваний волшебной палочкой, большинство из вас решит, что это не волшебство. Я не ожидаю, что вы и в самом деле поймете красоту нежно булькающего котла с его блестящим ароматом, хрупкую энергию жидкости, которая движется по венам, очаровывая разум, обостряя чувства… Я могу научить вас, как поймать славу, приготовить триумф, даже помешать смерти — если вы не похожи на ту компанию болванов, которую мне обычно приходится учить»
Химия — это наука, изучающая структуру, состав и свойства веществ. Она также включает изучение того, как эти вещества претерпевают определенные химические изменения и как они выделяют или поглощают энергию в процессе преобразования.
Поскольку химия обеспечивает основу для понимания как фундаментальных, так и прикладных научных дисциплин на фундаментальном уровне, ее часто называют центральной наукой.
В 16 и 17 веках (эпоха ранней химии) один человек мог надеяться на детальное знание всех областей химии. Однако с тех пор наука и технология сильно изменились. Современную химию можно разбить на несколько ключевых субдисциплин, которые акцентируют внимание на подмножествах химических понятий.
Ниже мы перечислили несколько различных видов химии, которые имеют дело с определенными аспектами Вселенной.
1. Физическая химия
Применение чистой физики к химическим проблемам
Физическая химия предполагает изучение поведения веществ в различных масштабах, от макроскопического до субатомного уровня. В отличие от других отраслей, она в основном имеет дело с законами физики, лежащими в основе всех химических взаимодействий. Цель - измерить, соотнести и описать количественные аспекты реакций.
Чтобы понять природу атомов и их связей, важно знать, как электроны распределяются вокруг ядер атомов. Этими проблемами занимается специальная область, называемая квантовой химией. Она предоставляет специальные законы и инструменты для определения формы и прочности связей, движения ядер и смены оболочек электронами.
Другая важная область — фотохимия, которая изучает, как свет взаимодействует с веществом. Это имеет решающее значение для спектроскопии - фундаментального исследовательского инструмента для определения типа химических веществ в соединении.
Поскольку различные вещества по-разному взаимодействуют со светом, мы можем идентифицировать их на основе того, как они взаимодействуют со светом. Это помогло нам узнать состав далеких небесных тел, таких как планеты, кометы и астероиды.
Физические химики используют сложное оборудование, такое как лазеры, электронные микроскопы, ядерный магнитный резонанс и т.д., для анализа веществ, разработки методов тестирования и определения свойств веществ, разработки теорий об этих веществах и обнаружения их потенциального применения. Они также могут применять математический анализ массивных массивов данных и проводить моделирование, чтобы предсказать, как эти вещества будут реагировать с течением времени.
2. Органическая химия
Изучение молекул, содержащих углерод и водород
В органической химии мы изучаем соединения, содержащие ковалентно связанные атомы углерода. В отличие от других атомов, углерод обладает уникальной способностью образовывать цепи с другими атомами углерода и различными элементами, такими как азот, кислород, галогены, сера и многие другие. Он может образовывать миллионы органических соединений, которые могут состоять из любого количества других элементов.
Эта область химии в основном занимается изучением химического состава, структуры и физических свойств органических соединений. Она также включает в себя оценку химической реактивности органических соединений для понимания их поведения.
Органическая химия играет важнейшую роль в разработке обычных бытовых химикатов, продуктов питания и топлива. Достижения в этой области внесли большой вклад в развитие нашего общества, например, синтез полимеров (к которым относятся все пластмассы и резиновые изделия), многочисленных лекарств и других полезных соединений, таких как этанол и инсулин.
Поскольку вся известная жизнь основана на органических соединениях, многие профессии требуют понимания органической химии, включая фармакологов, стоматологов, химиков, врачей, ветеринаров и инженеров-химиков.
3. Неорганическая химия
Охватывает соединения, не имеющие углеродной связи Неорганическая химия занимается соединениями, не имеющие углеродной связи
Неорганическая химия занимается соединениями, не имеющими связи углерод-водород. На Земле известно около 100 000 неорганических соединений. Целью данной области является изучение структуры, состава и поведения этих соединений.
Некоторые распространенные примеры неорганических соединений включают диоксид кремния (используется в солнечных батареях и компьютерных чипах), серную кислоту (используется в удобрениях и бытовых продуктах) и хлорид натрия (используется как поваренная соль). Все они могут быть классифицированы как основания, кислоты, оксиды и соли.
Синтез неорганических химических веществ включает преобразование сырья и соединений. Они могут подвергаться четырем различным типам химических реакций, а именно реакции соединения, разложения, одинарного замещения или двойного замещения.
Одним из быстро развивающихся направлений является металлоорганическая химия, которая ликвидирует разрыв между органической и неорганической химией. Она охватывает соединения, содержащие по крайней мере одну связь между атомом металла и атомом углерода. Металлоорганические соединения широко используются в научных исследованиях и в качестве катализаторов для повышения скорости химических реакций, особенно когда целевыми молекулами являются фармацевтические препараты или полимеры.
В целом, неорганические вещества оказывают существенное влияние на мировую экономику. Они используются в различных промышленных процессах и продуктах, включая пигментацию, поверхностно-активные вещества, катализ, нанесение покрытий, медицину, материаловедение и электронные устройства.
4. Аналитическая химия
Наука об идентификации и количественной оценке данных о структуре и составе вещества
Аналитическая химия использует передовые методы и приборы для выделения конкретных соединений, идентификации этих соединений и определения их количественного содержания в продукте.
Ее можно разделить на две области: количественный анализ и качественный анализ. Первый используется для определения абсолютного значения или относительного количества одного или нескольких веществ, присутствующих в соединении. Второй связан с определением качества конкретного соединения, независимо от его концентрации или количества.
Например, обнаружение железа в магнетите — это качественный анализ, а измерение фактического количества железа (72,3% по массе) в магнетите — количественный анализ.
Аналитическая химия используется в различных областях науки. Например, с ее помощью можно идентифицировать неизвестные вещества, обнаруженные на месте преступления, определить количество холестерина в образце крови, очистить моторное масло и многое другое. Она находит широкое применение в биоанализе, клиническом анализе, криминалистике, анализе материалов и анализе окружающей среды.
5. Ядерная химия
Изучение изменений в ядрах атомов
Ядерная химия занимается изучением изменений в ядрах элементов, которые являются источником ядерной энергии и радиоактивности. Некоторые элементы на Земле радиоактивны. Они спонтанно испускают излучение (например, альфа-, бета- или гамма-излучение).
В отличие от обычных химических реакций, которые образуют соединения, ядерные реакции превращают один элемент в другой. Это свойство используется на атомных электростанциях для сбора и хранения ядерной энергии.
Современная ядерная химия (часто называемая радиохимией) имеет широкий спектр применения - от разработки радиоактивных методов диагностики до изучения образования элементов во Вселенной.
Фактически, достижения химиков-ядерщиков стали настолько важными, что физики, геологи и биологи используют ядерную химию в качестве постоянного инструмента в своих дисциплинах.
Сочетание радиационной химии и радиохимии используется для анализа ядерных реакций, таких как синтез и деление. Ядерный синтез, в частности, выделяет огромное количество энергии и обычно называется термоядерной реакцией. Солнце и другие звезды во Вселенной фактически являются гигантскими термоядерными реакторами. В этих звездах молекулы водорода (под огромным давлением гравитационных сил) сплавляются в гелий и более тяжелые элементы. Во время реакции выделяется огромное количество энергии в виде света и тепла.
Ядерная химия также охватывает ядерные процессы в нерадиоактивных областях человеческой деятельности. Например, спектроскопия ядерного магнитного резонанса широко используется в физической химии, синтетической органической химии и макромолекулярной химии.
6. Биохимия
Исследует химические процессы, происходящие в живых организмах или связанные с ними.
Биохимия изучает химические вещества и процессы, происходящие в животных, растениях и микроорганизмах, а также изменения, которые они претерпевают в течение жизни.
По сути, это лабораторная наука, объединяющая химию и биологию. Она фокусируется на том, что происходит внутри живых клеток и как они общаются друг с другом во время роста или борьбы с болезнями. В первую очередь она изучает структуру, функции и взаимодействие биологических макромолекул, таких как углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты, белки.
Хотя биохимия еще молодая наука, известная под этим термином только с конца 19 века, она успешно объясняет живые процессы через структурную биологию, энзимологию и метаболизм.
Биохимия также описывает инструменты и методы, необходимые для понимания функционирования биологических молекул. Сюда входят такие традиционные методы, как хроматография, вестерн-блоттинг и анализ ко-иммунопреципитации.
В целом, она пересекается с целым рядом научных дисциплин, включая микробиологию, генетику, медицину, растениеводство и криминалистику.
Другие развивающиеся области
7. Вычислительная химия
Использование компьютерного моделирования для решения сложных химических задач
Как следует из названия, вычислительная химия использует компьютерное моделирование для расчета структур и свойств соединений или групп молекул. Хотя это не точное описание реальной химии, химические явления могут быть до определенной степени объяснены в приблизительной количественной или качественной вычислительной схеме.
Ученые-химики и инженеры используют достижения, которые происходят в вычислительном оборудовании и программном обеспечении, а также в новых теоретических и математических подходах. Большинство открытий основано на использовании массивно-параллельных высокопроизводительных CPU и GPU для решения сложных уравнений.
Например, моделирование и расчеты на суперкомпьютерах улучшили наше понимание катализируемого медью циклопропанирования, катализируемого цинком алкилирования, катализируемого родием гидрирования, происхождения энантиоселективности в катализируемом переходными металлами асимметрическом синтезе и различных других процессов.
8. Квантовая химия
Применение квантовой механики к химическим системам
Проще говоря, квантовая химия - это изучение очень маленьких частиц. Эта область возникла с открытием субатомных частиц - электронов, протонов и нейтронов.
Одной из основных целей квантовой химии является понимание электронной структуры и молекулярной динамики с помощью уравнений Шредингера. В 1926 году Эрвин Шредингер разработал математическое уравнение, которое показывает, что если вы знаете потенциальную энергию, действующую на объект, вы можете измерить волновую функцию для этого объекта. А получив волновую функцию, можно определить свойства этого объекта.
Однако точное решение волнового уравнения Шредингера не может быть получено для больших атомов и молекул (содержащих более одного электрона). Квантовая химия стремится к простому допущению/приближению и повышению точности решения для малых и больших молекулярных систем.
Последние разработки в области квантовомеханических методов моделирования, таких как теория функционала плотности, позволили достичь точности, сравнимой с точностью, полученной в экспериментах с молекулами умеренного размера.
9. Астрохимия
Изучение молекул в космосе и их взаимодействия с излучением
Астрохимия - это наука, изучающая химический состав вещества в космосе и процессы, которые привели к такому составу. Она применяется как к Солнечной системе, так и к межзвездной среде.
Астрохимики, которые являются частично астрономами и частично химиками, анализируют молекулы и ионы в космическом пространстве, чтобы выяснить, какую роль они играют в составе Вселенной. Сюда входят атомы и молекулы, из которых состоит газообразная материя будущих астероидов, звезд и даже целых солнечных систем.
Они используют различные типы радиотелескопов для обнаружения электромагнитного излучения, выбрасываемого небесными телами. Узнав частоту волн (радио, гамма, ультрафиолетовые или инфракрасные волны), можно определить, какие молекулы и в каких количествах находятся в космосе. Затем эти данные объединяются с информацией, полученной из других областей, таких как астрофизика и метеорология, чтобы лучше понять происхождение нашей Вселенной.
10. Фитохимия
Изучение химических веществ, получаемых из растений
Фитохимия занимается изучением химических процессов, связанных с жизнью растений, и химических соединений, производимых растениями. Ее основной целью является изучение фитохимикатов - биологически активных питательных растительных химических веществ в овощах, зерне, фруктах и других растительных продуктах, которые могут обеспечить пользу для здоровья, выходящую за рамки стандартного питания.
Фитохимические вещества используются в безалкогольных напитках, продуктах питания функционального назначения и других многочисленных пищевых продуктах, обладающих хорошей питательной ценностью и имеющих важное значение. Флавоноиды, изофлавоноиды, фитостеролы, глюкозинолаты, лимоноиды, полифенолы - одни из самых распространенных фитохимических веществ, которые обеспечивают значительную пользу для здоровья.
Фитохимики пытаются определить структуру различных вторичных метаболитов, обнаруженных в растениях. Они также изучают, как эти соединения функционируют в биологии растений и человека.
Существует множество различных типов соединений, обнаруженных в растениях. Большинство из них можно разделить на четыре биосинтетических класса: терпеноиды, поликетиды, фенилпропаноиды и алкалоиды.
11. Зеленая химия
Минимизация использования и производства опасных/нежелательных химических процессов и веществ.
Зеленая химия в основном занимается оптимизацией и созданием химических процессов и продуктов, которые направлены на уменьшение (или полное удаление) токсичных веществ, образующихся в окружающей среде.
В отличие от экологической химии, которая фокусируется на вредном воздействии загрязняющих химикатов на окружающую среду, зеленая химия фокусируется на снижении потребления невозобновляемых ресурсов и разработке новых методов предотвращения загрязнения.
В 1998 году Пол Анастас (один из основателей направления зеленой химии) опубликовал двенадцать принципов, в которых рассматриваются различные способы минимизации воздействия химического производства на здоровье и окружающую среду.
К этим принципам относятся:
1. Предотвращать отходы
2. Разрабатывать процессы, использующие максимальное количество сырья
3. Избегать использования токсичных химикатов
4. Разрабатывать более безопасные химикаты
5. Разрабатывать более безопасные растворители и вспомогательные вещества
6. Сделать химический процесс энергоэффективным
7. Использовать возобновляемое сырье
8. Свести к минимуму ненужное производство производных
9. Использовать нетоксичные катализаторы
10. Использовать продукты, которые могут быть разложены на не вредные для здоровья вещества
11. Контролировать весь процесс в режиме реального времени, чтобы его можно было остановить до образования опасных веществ 11.
12. Минимизировать риски взрывов, пожаров и случайных выбросов.
Хотя эти принципы не новы, степень их применения привела к повышенному вниманию к этой теме со стороны промышленных, академических и регулирующих сообществ.
В природе происходит много различных типов химических реакций, но большинство из них можно разделить на шесть групп: реакция соединения, реакция разложения, реакция нейтрализации, реакция горения, реакция замещения и реакция осаждения.
В химии различают четыре основных типа связи:
- Ковалентные связи: атомы связаны общими электронами.
- Водородные связи: взаимодействие с участием атома водорода, расположенного между парой сильно электроотрицательных атомов.
- Ионные связи: электростатическое притяжение между противоположно заряженными ионами.
- Взаимодействия Ван-дер-Ваальса: межмолекулярные взаимодействия, не содержащие ионов или ковалентных связей.
Честно пока изучал данный вопрос открыл для себя, столько новых направлений химии... О многих я не знал. И в очередной раз поражаюсь необъятности нашей вселенной и фантазии человека, пополам с огромным желанием познать этот мир.^^
#наука #химия #достижения науки #открытия ученых #новое #новости #устройство мира #мир вокруг нас #интересный факт
#Северус Снейп