כימיה היא חקר החומר, תכונותיו, כיצד ומדוע חומרים משתלבים או נפרדים ליצירת חומרים אחרים וכיצד חומרים מתקשרים עם אנרגיה. אנשים רבים חושבים על כימאים שהם מדענים מצופים לבנים המערבבים נוזלים מוזרים במעבדה, אך האמת היא שכולנו כימאים. הבנת מושגי כימיה בסיסיים חשובה כמעט לכל מקצוע. כימיה היא חלק מכל מה שבחיינו.
כל חומר הקיים מורכב מחומר - אפילו גופנו שלנו. הכימיה מעורבת בכל מה שאנחנו עושים, מגידול ובישול של אוכל וכלה בניקיון בתינו וגופנו ועד שיגור מעבורת חלל. כימיה היא אחת ממדעי הפיזיקה שעוזרות לנו לתאר ולהסביר את עולמנו.
חמישה סניפים
ישנם חמישה ענפים כימיים עיקריים, שבכל אחד מהם תחומי לימוד רבים.
כימיה אנליטית משתמש בתצפית איכותית וכמותית כדי לזהות ולמדוד את התכונות הפיזיקליות והכימיות של חומרים. במובן מסוים, כל הכימיה היא אנליטית.
כימיה פיזיקלית משלב כימיה ופיזיקה. כימאים פיזיקלים בוחנים את האינטראקציה בין חומר ואנרגיה. התרמודינמיקה ומכניקת הקוונטים הם שני הענפים החשובים של הכימיה הפיזית.
כימיה אורגנית בודק ספציפית תרכובות המכילות את היסוד פחמן. לפחמן תכונות ייחודיות רבות המאפשרות לו ליצור קשרים כימיים מורכבים ומולקולות גדולות מאוד. כימיה אורגנית מכונה "כימיה של החיים" מכיוון שלכל המולקולות המרכיבות רקמות חיות יש פחמן כחלק מהאיפור שלהן.
כימיה אורגנית חוקר חומרים כמו מתכות וגזים שאין להם פחמן כחלק מהאיפור שלהם.
ביוכימיה הוא חקר תהליכים כימיים המתרחשים בתוך אורגניזמים חיים.
תחומי לימוד
בתוך קטגוריות רחבות אלה קיימים אין ספור תחומי לימוד, שרבים מהם משפיעים על חיי היומיום שלנו. כימאים משפרים מוצרים רבים, החל מהמזון שאנו אוכלים והבגדים שאנו לובשים ועד החומרים איתם אנו בונים את בתנו. כימיה עוזרת להגן על הסביבה שלנו ומחפשת אחר מקורות אנרגיה חדשים.
כימיה של מזון
מדעי המזון עוסקים בשלושת המרכיבים הביולוגיים של המזון - פחמימות, ליפידים וחלבונים. פחמימות הן סוכרים ועמילן, הדלקים הכימיים הנדרשים לתאים שלנו כדי לתפקד. ליפידים הם שומנים ושמנים ומהווים חלקים חיוניים מממברנות התא וכדי לשמן ואברי כרית בגוף. מכיוון ששומנים הם פי 2.25 מהאנרגיה לגרם מאשר פחמימות או חלבונים, אנשים רבים מנסים להגביל את צריכתם כדי להימנע מעודף משקל. חלבונים הם מולקולות מורכבות המורכבות מ- 100 עד 500 או יותר חומצות אמינו המשורשרות זו בזו ומקופלות לצורות תלת ממדיות הנחוצות למבנה ותפקוד של כל תא. גופנו יכול לסנתז חלק מחומצות האמינו; עם זאת, שמונה מהם, חומצות האמינו החיוניות, חייבים להיכנס כחלק מהמזון שלנו. מדעני המזון מודאגים גם עם המרכיבים הלא אורגניים של המזון כמו תכולת המים שלו, מינרלים, ויטמינים ואנזימים.
כימאי מזון משפרים את האיכות, הבטיחות, האחסון והטעם של האוכל שלנו. כימאים בתחום המזון עשויים לעבוד עבור התעשייה הפרטית כדי לפתח מוצרים חדשים או לשפר את העיבוד. הם עשויים לעבוד גם עבור סוכנויות ממשלתיות כמו מינהל המזון והתרופות לבדיקת מוצרי מזון ומטפלים כדי להגן עלינו מפני זיהום או נוהגים מזיקים. כימאים בתחום המזון בודקים מוצרים כדי לספק מידע המשמש לתוויות התזונה או כדי לקבוע כיצד האריזה והאחסון משפיעים על בטיחות ואיכות המזון. חומרי טעם וריח עובדים עם כימיקלים בכדי לשנות את טעם המזון. כימאים עשויים לעבוד גם בדרכים אחרות לשיפור הערעור החושי, כגון שיפור צבע, ריח או מרקם.
כימיה סביבתית
כימאים סביבתיים בוחנים כיצד כימיקלים מתקשרים עם הסביבה הטבעית. כימיה סביבתית היא מחקר בין תחומי הכולל גם כימיה אנליטית וגם הבנה של מדעי הסביבה. כימאים סביבתיים חייבים להבין תחילה את הכימיקלים והתגובות הכימיות הקיימות בתהליכים טבעיים במי האדמה ובאוויר. דגימה וניתוח יכולים לקבוע אם פעילויות אנושיות זיהמו את הסביבה או גרמו לתגובות מזיקות להשפיע עליה.
איכות המים היא תחום חשוב בכימיה סביבתית. מים "טהורים" אינם קיימים בטבע; תמיד יש בו מינרלים או חומר אחר מומסים בו. כימאים באיכות מים בודקים נהרות, אגמים ומי אוקיינוס על סממנים כמו חמצן מומס, מליחות, עכירות, משקעים תלויים ו- pH. מים המיועדים לצריכה אנושית חייבים להיות נקיים מזהמים מזיקים ועשויים לטפל בהם עם תוספים כמו פלואוריד וכלור כדי להגביר את בטיחותם.
כימיה חקלאית
הכימיה החקלאית עוסקת בחומרים ובתגובות הכימיות הכרוכות בייצור, הגנה ושימוש בגידולים ובבעלי חיים. זהו תחום בינתחומי מאוד הנשען על קשרים למדעים רבים אחרים. כימאים חקלאיים עשויים לעבוד עם המחלקה לחקלאות, הסוכנות להגנת הסביבה, מינהל התרופות והתרופות או עבור התעשייה הפרטית. כימאים חקלאיים מפתחים דשנים, קוטלי חרקים וקוטלי עשבים הכרחי לייצור יבול בקנה מידה גדול. עליהם גם לפקח על אופן השימוש במוצרים אלה והשפעותיהם על הסביבה. תוספי תזונה מפותחים כדי להגדיל את הפריון של עדרי בשר וחלב.
ביוטכנולוגיה חקלאית מהווה מוקד צומח במהירות עבור כימאים חקלאיים רבים. מניפולציה גנטית של גידולים כדי להיות עמידה בפני קוטלי עשבים המשמשים להדברת עשבים בשדות דורשת הבנה מפורטת של הצמחים וגם של הכימיקלים ברמה המולקולרית. על הביוכימאים להבין את הגנטיקה, הכימיה והצרכים העסקיים כדי לפתח גידולים קלים יותר להובלה או שיש להם חיי מדף ארוכים יותר.
הנדסה כימית
מהנדסים כימיים חוקרים ומפתחים חומרים או תהליכים חדשים הכרוכים בתגובות כימיות. הנדסה כימית משלבת רקע בכימיה עם מושגי הנדסה וכלכלה כדי לפתור בעיות טכנולוגיות. עבודות הנדסה כימית מתחלקות לשתי קבוצות עיקריות: יישומים תעשייתיים ופיתוח מוצרים חדשים.
תעשיות דורשות מהנדסים כימיים להמציא דרכים חדשות להקל על ייצור המוצרים שלהם ובעלות חסכונית יותר. מהנדסים כימיים עוסקים בתכנון והפעלת מפעלי עיבוד, פיתוח נהלי בטיחות לטיפול בחומרים מסוכנים ומפקחים על ייצור כמעט של כל מוצר בו אנו משתמשים. מהנדסים כימיים פועלים לפיתוח מוצרים ותהליכים חדשים בכל תחום, החל מתרופות לדלקים ורכיבי מחשב.
גיאוכימיה
גיאוכימאים משלבים כימיה וגיאולוגיה כדי לחקור את האיפור והאינטראקציה בין חומרים שנמצאים בכדור הארץ. גיאוכימאים עשויים להקדיש זמן רב יותר למחקרי שדה מאשר סוגים אחרים של כימאים. רבים עובדים עבור הסקר הגיאולוגי האמריקני או הסוכנות להגנת הסביבה בקביעת האופן בו פעולות הכרייה והפסולת יכולות להשפיע על איכות המים ועל הסביבה. הם עשויים לנסוע למכרות נטושים ומרוחקים כדי לאסוף דגימות ולבצע הערכות שדה גסות, ואז לעקוב אחר זרם דרך פרשת המים שלה כדי להעריך כיצד מזהמים עוברים במערכת. גיאוכימאים נפט מועסקים על ידי חברות נפט וגז כדי לעזור במציאת עתודות אנרגיה חדשות. הם עשויים לעבוד גם על צינורות ובאסדות שמן על מנת למנוע תגובות כימיות העלולות לגרום לפיצוצים או לשפכים.
כימיה משפטית
כימאים משפטי לוכדים ומנתחים את הראיות הגופניות שהושארו בזירת פשע כדי לסייע בקביעת זהותם של האנשים המעורבים וכן לענות על שאלות חיוניות אחרות הנוגעות לאופן ומדוע הפשע בוצע. כימאים משפטית משתמשים במגוון רחב של שיטות ניתוח, כמו כרומטוגרפיה, ספקטרומטריה וספקטרוסקופיה.
במחקר חדש שהופיע בכתב העת של החברה האמריקאית לספקטרומטריה המונית, מדענים מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת לואיזיאנה (LSU) התכוונו ליישם טכנולוגיית לייזר בתחום המדע המשפטי.
הם פיתחו מערכת החורגת מזיהוי טביעת אצבע. הטכניקה יכולה ללכוד מולקולות הכלולות בתוך סימן אצבע, כולל ליפידים, חלבונים, חומר גנטי, או אפילו עקבות של חומרי נפץ, אותם ניתן לנתח עוד יותר. הכלי החדש מוציא למעשה את התעלומה מזיהוי ההרכב הכימי של סימני האצבע בזירות פשע.
הכלי ממקד לייזר - בעזרת מראות וסיבים אופטיים - על משטח המכיל סימן אצבע. לאחר מכן, הלייזר מחמם מים או לחות על פני השטח, וגורם קשרים כימיים במים להימתח ולרטוט, כך עולה מבלוג המכללות למדעים LSU. כל האנרגיה הממוקדת הזו גורמת למים "להתפוצץ", להפוך אותם לגז ולהפריד ביולוגיות כמו DNA. תהליך זה נקרא אבלציה בלייזר.
לאחר מכן מערכת משאבת ואקום קטנה מושכת את המים והמולקולות למסנן זעיר שתופס את כל מה שהותיר אחריו אצבעו של אדם. לאחר מכן, מדענים משפטי יכולים להכניס את התוכן למכשיר ניתוח כמו ספקטרומטר מסה או ספקטרומטר-כרומטוגרמת-גז.
חשוב לציין כי טכניקת אבלציה בלייזר יכולה ללכוד בקלות סימני אצבעות על משטחים נקבוביים, כמו קרטון (עליו לא הצליחו שיטות פליליות מסורתיות במיוחד).
כדי לבדוק את הטכניקה החדשה שלהם, החוקרים הציבו סימני אצבעות על סוגי משטחים רבים ושונים, כולל זכוכית, פלסטיק, אלומיניום וקרטון. על פי סימון האצבעות הללו היו חומרים מגוונים כמו קפאין, קרם חיטוי, חומרי סיכה וקונדום ו- TNT. לאחר כל לכידת טביעת אצבע, הכימאים הצליחו לזהות חומרים אלה בעזרת ספקטרומטריה המונית.
