11 различных видов химии
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 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:
- Предотвращать отходы
- Разрабатывать процессы, использующие максимальное количество сырья
- Избегать использования токсичных химикатов
- Разрабатывать более безопасные химикаты
- Разрабатывать более безопасные растворители и вспомогательные вещества
- Сделать химический процесс энергоэффективным
- Использовать возобновляемое сырье
- Свести к минимуму ненужное производство производных
- Использовать нетоксичные катализаторы
- Использовать продукты, которые могут быть разложены на не вредные для здоровья вещества
- Контролировать весь процесс в режиме реального времени, чтобы его можно было остановить до образования опасных веществ
- 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.
Часто задаваемые вопросы?
Какие основные виды химических реакций вы знаете?
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.
Сколько типов химической связи существует?
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.
Кого называют отцом химии?
Джабир ибн Хайян известен как отец ранней химии. Он ввел систематическую классификацию химических веществ. Он также придумал способ получения неорганического соединения (хлорида аммония) из органических веществ (таких как кровь, волосы и растения) химическим путем.
Титул отца современной химии принадлежит французскому химику Антуану Лавуазье. В 1778 году он узнал и назвал кислород и объяснил роль кислорода в горении. Позднее он установил, что вода — это соединение, а не элемент.
Лавуазье создал первый обширный список элементов и помог усовершенствовать химическую номенклатуру. В 1787 году он оценил существование кремния. Он также доказал, что материя может менять свою форму или вид, но ее масса всегда остается неизменной.