ביוכימיה
ככל שהבנת הכימיה הדוממת גדלה במהלך המאה ה -19, הניסיונות לפרש את התהליכים הפיזיולוגיים של אורגניזמים חיים מבחינת מבנה מולקולרי ותגובתיות הולידו את תחום הביוכימיה. ביוכימאים משתמשים בטכניקות ותיאוריות הכימיה כדי לחקור את הבסיס המולקולרי של החיים. אורגניזם נחקר מתוך הנחה כי התהליכים הפיזיולוגיים שלו הם תוצאה של אלפים רבים של תגובות כימיות המתרחשות בצורה משולבת מאוד. ביוכימאים קבעו, בין היתר, את העקרונות העומדים בבסיס העברת אנרגיה בתאים, המבנה הכימי של ממברנות התא, קידוד והעברת מידע תורשתי, תפקוד שרירי ועצב, ומסלולי ביו-סינתטיים. למעשה, נמצא כי ביומולקולות קשורות ממלאות תפקידים דומים באורגניזמים השונים כמו חיידקים ובני אדם. אולם המחקר של ביומולקולות מציג קשיים רבים. מולקולות כאלה הן לרוב גדולות מאוד ומציגות מורכבות מבנית רבה; יתר על כן, התגובות הכימיות שהם עוברים בדרך כלל מהירות ביותר. ההפרדה בין שני גדילי ה- DNA, למשל, מתרחשת במיליון השנייה. שיעורי תגובה מהירים כאלה אפשריים רק באמצעות פעולת ביניים של ביומולקולות הנקראות אנזימים. אנזימים הם חלבונים שחייבים את יכולותיהם המאיצות קצב מדה למבנה הכימי התלת מימדי שלהם. באופן לא מפתיע, תגליות ביוכימיות השפיעו רבות על ההבנה והטיפול במחלות. מחלות רבות כתוצאה משגיאות מטבוליזם מולד נלקחו למומים גנטיים ספציפיים. מחלות אחרות נובעות משיבושים במסלולי ביוכימיה רגילים.
היסטוריה של טכנולוגיה: כימיה
תרומתו של רוברט בויל לתאוריה של כוח הקיטור הוזכרה, אך בויל מוכר יותר כ"אב הכימיה ".
לעתים קרובות ניתן להקל על הסימפטומים על ידי תרופות, והגילוי, אופן הפעולה והשפלתם של חומרים טיפוליים הוא עוד אחד התחומים העיקריים במחקר בביוכימיה. ניתן לטפל בזיהומים בקטריאליים באמצעות סולפונאמידים, פניצילינים וטטרציקלינים, ומחקר בדלקות נגיפיות גילה את יעילותו של acyclovir נגד נגיף ההרפס. יש עניין עכשווי רב בפרטי סרטן הכימותרפיה והסרטן. ידוע, למשל, כי סרטן יכול להיווצר כאשר מולקולות הגורמות לסרטן, או חומרים מסרטנים כפי שהם מכונים, מגיבים עם חומצות גרעין וחלבונים ומפריעים לאופן הפעולה הרגיל שלהם. חוקרים פיתחו בדיקות שיכולות לזהות מולקולות שעלולות להיות מסרטנות. התקווה היא כמובן שההתקדמות במניעה ובטיפול בסרטן תאיץ לאחר שמבינים את הבסיס הביוכימי של המחלה.
הבסיס המולקולרי של תהליכים ביולוגיים הוא מאפיין חיוני של הדיסציפלינות הצומחות במהירות של ביולוגיה מולקולרית וביוטכנולוגיה. הכימיה פיתחה שיטות לקביעת מבנה של חלבונים ו- DNA במהירות ובמדויק. בנוסף, מתוכננות שיטות מעבדה יעילות לסינתזה של גנים. בסופו של דבר, יתכן ויהיה אפשרי לתקן מחלות גנטיות על ידי החלפת גנים פגומים לאלה רגילים.
כימיה פולימרית
החומר הפשוט אתילן הוא גז המורכב ממולקולות עם הנוסחה CH 2 CH 2. בתנאים מסוימים, מולקולות אתילן רבים יצטרפו זו לזו ויוצרות שרשרת ארוכה שנקרא פוליאתילן, עם נוסחה (CH 2 CH 2) n, כאשר n הוא משתנה אבל מספר גדול. פוליאתילן הוא חומר מוצק וקשיח ועמיד שונה למדי מאתילן. זו דוגמא לפולימר שהוא מולקולה גדולה המורכבת ממולקולות קטנות רבות יותר (מונומרים), המחוברות בדרך כלל בצורה ליניארית. חומרים רבים המופיעים באופן טבעי, כולל תאית, עמילן, כותנה, צמר, גומי, עור, חלבונים ו- DNA, הם פולימרים. פוליאתילן, ניילון ואקריליק הם דוגמאות לפולימרים סינתטיים. חקר חומרים כאלה נמצא בתחום הכימיה הפולימרית, מומחיות שפרחה במאה העשרים. חקר הפולימרים הטבעיים חופף במידה ניכרת לביוכימיה, אך סינתזה של פולימרים חדשים, חקירת תהליכי פילמור ואפיון המבנה והתכונות של חומרים פולימריים, כל אלה מהווים בעיות ייחודיות עבור כימאים פולימרים.
כימאים פולימרים עיצבו וסנתזו פולימרים המשתנים בקשיות, גמישות, טמפרטורת ריכוך, מסיסות במים, ודרגתיות ביולוגית. הם ייצרו חומרים פולימריים חזקים כמו פלדה ועם זאת קלים יותר ועמידים יותר בפני קורוזיה. צינורות נפט, גז טבעי ומים בנויים כיום באופן שגרתי מצינור פלסטיק. בשנים האחרונות יצרני הרכב הגדילו את השימוש שלהם ברכיבי פלסטיק לבניית רכבים קלים יותר הצורכים פחות דלק. תעשיות אחרות כמו העוסקות בייצור טקסטיל, גומי, נייר וחומרי אריזה בנויות על כימיה פולימרית.
מלבד ייצור סוגים חדשים של חומרים פולימריים, החוקרים דואגים לפתח זרזים מיוחדים הנדרשים על ידי סינתזה תעשייתית רחבת היקף של פולימרים מסחריים. ללא זרזים כאלה, תהליך הפילמור יהיה איטי מאוד במקרים מסוימים.
כימיה פיזיקלית
תחומים כימיים רבים, כמו אלו שכבר דנו בהם, מתמקדים בסוגים מסוימים של חומרים החולקים תכונות מבניות וכימיות נפוצות. התמחויות אחרות עשויות להתרכז לא בכיתה של חומרים אלא באינטראקציות שלהם ובטרנספורמציות שלהם. העתיק בשדות אלה הוא כימיה פיזיקלית, המבקשת למדוד, לתאם ולהסביר את ההיבטים הכמותיים של תהליכים כימיים. הכימאי האנגלו-אירי, רוברט בויל, למשל, גילה במאה ה -17 כי בטמפרטורת החדר נפח כמות קבועה של גז פוחת באופן יחסי ככל שהלחץ עליו עולה. לפיכך, עבור גז בטמפרטורה קבועה, המוצר של נפחו V והלחץ P שווה למספר קבוע - כלומר PV = קבוע. קשר אריתמטי פשוט כזה תקף כמעט לכל הגזים בטמפרטורת החדר ובלחצים השווים לאטמוספרה אחת או פחות. עבודות שלאחר מכן הראו כי הקשר מאבד מתוקפו בלחצים גבוהים יותר, אך ניתן לגזור ביטויים מורכבים יותר התואמים בצורה מדויקת יותר את תוצאות הניסוי. הגילוי והחקירה של סדירות כימיות כאלה, המכונות לעתים קרובות חוקי טבע, נמצאים בתחום הכימיה הפיזית. במשך חלק גדול מהמאה ה -18 הונח כי מקור הסדירות המתמטית במערכות כימיות הוא רצף הכוחות והשדות המקיפים את האטומים המרכיבים יסודות כימיים ותרכובות. אולם ההתפתחויות במאה העשרים הראו שהתנהגות כימית מתפרשת בצורה הטובה ביותר על ידי מודל מכני קוונטי של מבנה אטומי ומולקולרי. ענף הכימיה הפיזיקלית המוקדש ברובו לנושא זה הוא כימיה תיאורטית. כימאים תיאורטיים עושים שימוש נרחב במחשבים כדי לעזור להם לפתור משוואות מתמטיות מסובכות. ענפים אחרים של כימיה פיזיקלית כוללים תרמודינמיקה כימית, העוסקת בקשר בין חום וצורות אחרות של אנרגיה כימית, וקינטיקה כימית, המבקשת למדוד ולהבין את שיעורי התגובות הכימיות. אלקטרוכימיה חוקרת את קשרי הגומלין בין זרם חשמלי לשינוי כימי. מעבר של זרם חשמלי דרך תמיסה כימית גורם לשינויים בחומרים המרכיבים שלרוב הפיכים - כלומר, בתנאים שונים החומרים המשנים עצמם יניבו זרם חשמלי. סוללות נפוצות מכילות חומרים כימיים, כאשר הם ממוקמים במגע זה עם זה על ידי סגירת מעגל חשמלי, יעבירו זרם במתח קבוע עד לצריכת החומרים. נכון לעכשיו יש עניין רב במכשירים שיכולים להשתמש באנרגיה באור השמש בכדי להניע תגובות כימיות שמוצריהן מסוגלים לאגור את האנרגיה. גילוי מכשירים כאלה יאפשר ניצול נרחב של אנרגיה סולארית.
ישנן תחומים רבים אחרים בתחום הכימיה הפיזית העוסקים יותר בתכונות הכלליות של חומרים ובאינטראקציה בין חומרים מאשר בחומרים עצמם. פוטוכימיה היא מומחיות הבוחנת את האינטראקציה של האור עם החומר. תגובות כימיות המתחילות בספיגת האור יכולות להיות שונות מאוד מאלו המתרחשות באמצעים אחרים. ויטמין D, למשל, נוצר בגוף האדם כאשר הארגוסטרול הסטרואיד סופג קרינת שמש; ארגוסטרול לא משתנה לוויטמין D בחושך.
תת-תחום מתפתח במהירות של כימיה פיזיקלית הוא כימיה פני השטח. הוא בוחן את תכונותיהם של משטחים כימיים, תוך הסתמכות רבה על מכשירים שיכולים לספק פרופיל כימי של משטחים כאלה. בכל פעם שמוצק נחשף לנוזל או לגז, תחילה מתרחשת תגובה על פני המוצק, ותכונותיו יכולות להשתנות באופן דרמטי כתוצאה מכך. במקרה זה אלומיניום: הוא עמיד בפני קורוזיה בדיוק מכיוון שמשטח המתכת הטהורה מגיב עם חמצן ויוצר שכבה של תחמוצת אלומיניום, המשמשת להגנה על פנים המתכת מפני חמצון נוסף. זרזים לתגובה רבים מבצעים את תפקידם על ידי מתן משטח תגובתי עליו יכולים החומרים להגיב.
