Biochimie
Alors que la compréhension de la chimie inanimée s'est développée au cours du 19e siècle, les tentatives d'interprétation des processus physiologiques des organismes vivants en termes de structure moléculaire et de réactivité ont donné naissance à la discipline de la biochimie. Les biochimistes utilisent les techniques et les théories de la chimie pour sonder les bases moléculaires de la vie. Un organisme est étudié en partant du principe que ses processus physiologiques sont la conséquence de plusieurs milliers de réactions chimiques se produisant de manière hautement intégrée. Les biochimistes ont établi, entre autres, les principes qui sous-tendent le transfert d'énergie dans les cellules, la structure chimique des membranes cellulaires, le codage et la transmission d'informations héréditaires, la fonction musculaire et nerveuse et les voies de biosynthèse. En fait, des biomolécules apparentées se sont avérées remplir des rôles similaires dans des organismes aussi différents que les bactéries et les êtres humains. L'étude des biomolécules présente cependant de nombreuses difficultés. Ces molécules sont souvent très grandes et présentent une grande complexité structurelle; de plus, les réactions chimiques qu'ils subissent sont généralement extrêmement rapides. La séparation des deux brins d'ADN, par exemple, se produit en un millionième de seconde. De telles vitesses de réaction rapides ne sont possibles que grâce à l'action intermédiaire de biomolécules appelées enzymes. Les enzymes sont des protéines qui doivent leur remarquable capacité d'accélération à leur structure chimique tridimensionnelle. Sans surprise, les découvertes biochimiques ont eu un grand impact sur la compréhension et le traitement des maladies. De nombreux maux dus à des erreurs innées du métabolisme ont été attribués à des défauts génétiques spécifiques. D'autres maladies résultent de perturbations des voies biochimiques normales.
histoire de la technologie: Chimie
La contribution de Robert Boyle à la théorie de l'énergie à vapeur a été mentionnée, mais Boyle est plus communément reconnu comme le «père de la chimie».
Fréquemment, les symptômes peuvent être atténués par les médicaments, et la découverte, le mode d'action et la dégradation des agents thérapeutiques sont un autre des principaux domaines d'étude en biochimie. Les infections bactériennes peuvent être traitées avec des sulfamides, des pénicillines et des tétracyclines, et la recherche sur les infections virales a révélé l'efficacité de l'acyclovir contre le virus de l'herpès. Il y a beaucoup d'intérêt actuel dans les détails de la cancérogenèse et de la chimiothérapie du cancer. Il est connu, par exemple, que le cancer peut survenir lorsque des molécules cancérigènes, ou cancérigènes comme on les appelle, réagissent avec les acides nucléiques et les protéines et interfèrent avec leurs modes d'action normaux. Les chercheurs ont développé des tests qui peuvent identifier des molécules susceptibles d'être cancérigènes. L'espoir, bien sûr, est que les progrès dans la prévention et le traitement du cancer s'accélèrent une fois que les bases biochimiques de la maladie seront mieux comprises.
La base moléculaire des processus biologiques est une caractéristique essentielle des disciplines à croissance rapide de la biologie moléculaire et de la biotechnologie. La chimie a développé des méthodes pour déterminer rapidement et avec précision la structure des protéines et de l'ADN. De plus, des méthodes de laboratoire efficaces pour la synthèse des gènes sont en cours d'élaboration. En fin de compte, la correction de maladies génétiques par le remplacement de gènes défectueux par des gènes normaux peut devenir possible.
Chimie des polymères
La substance simple éthylène est un gaz composé de molécules de formule CH 2 CH 2. Dans certaines conditions, de nombreuses molécules d'éthylène se rejoindront pour former une longue chaîne appelée polyéthylène, de formule (CH 2 CH 2) n, où n est un nombre variable mais important. Le polyéthylène est un matériau solide, résistant et durable très différent de l'éthylène. Il s'agit d'un exemple de polymère, qui est une grosse molécule composée de nombreuses molécules plus petites (monomères), généralement réunies de manière linéaire. De nombreuses substances naturelles, dont la cellulose, l'amidon, le coton, la laine, le caoutchouc, le cuir, les protéines et l'ADN, sont des polymères. Le polyéthylène, le nylon et l'acrylique sont des exemples de polymères synthétiques. L'étude de ces matériaux relève du domaine de la chimie des polymères, une spécialité qui a prospéré au XXe siècle. L'enquête sur les polymères naturels recouvre considérablement la biochimie, mais la synthèse de nouveaux polymères, l'étude des processus de polymérisation et la caractérisation de la structure et des propriétés des matériaux polymères posent tous des problèmes uniques pour les chimistes des polymères.
Les chimistes des polymères ont conçu et synthétisé des polymères dont la dureté, la flexibilité, la température de ramollissement, la solubilité dans l'eau et la biodégradabilité varient. Ils ont produit des matériaux polymères aussi solides que l'acier, mais plus légers et plus résistants à la corrosion. Les oléoducs, le gaz naturel et les conduites d'eau sont désormais systématiquement construits en tuyaux en plastique. Ces dernières années, les constructeurs automobiles ont accru leur utilisation de composants en plastique pour construire des véhicules plus légers qui consomment moins de carburant. D'autres industries telles que celles impliquées dans la fabrication de textiles, de caoutchouc, de papier et de matériaux d'emballage reposent sur la chimie des polymères.
En plus de produire de nouveaux types de matériaux polymères, les chercheurs sont soucieux de développer des catalyseurs spéciaux qui sont requis par la synthèse industrielle à grande échelle de polymères commerciaux. Sans ces catalyseurs, le processus de polymérisation serait très lent dans certains cas.
Chimie physique
De nombreuses disciplines chimiques, telles que celles déjà discutées, se concentrent sur certaines classes de matériaux qui partagent des caractéristiques structurelles et chimiques communes. D'autres spécialités peuvent être centrées non pas sur une classe de substances mais plutôt sur leurs interactions et transformations. Le plus ancien de ces domaines est la chimie physique, qui cherche à mesurer, corréler et expliquer les aspects quantitatifs des processus chimiques. Le chimiste anglo-irlandais Robert Boyle, par exemple, a découvert au XVIIe siècle qu'à température ambiante, le volume d'une quantité fixe de gaz diminue proportionnellement à mesure que la pression augmente. Ainsi, pour un gaz à température constante, le produit de son volume V et de sa pression P est égal à un nombre constant, c'est-à-dire PV = constant. Une telle relation arithmétique simple est valable pour presque tous les gaz à température ambiante et à des pressions égales ou inférieures à une atmosphère. Des travaux ultérieurs ont montré que la relation perd sa validité à des pressions plus élevées, mais des expressions plus compliquées qui correspondent plus précisément aux résultats expérimentaux peuvent être dérivées. La découverte et la recherche de telles régularités chimiques, souvent appelées lois de la nature, relèvent de la chimie physique. Pendant une grande partie du XVIIIe siècle, la source de régularité mathématique dans les systèmes chimiques était supposée être le continuum de forces et de champs qui entourent les atomes constituant les éléments et les composés chimiques. Cependant, les développements du 20e siècle ont montré que le comportement chimique est mieux interprété par un modèle de mécanique quantique de la structure atomique et moléculaire. La branche de la chimie physique qui est largement consacrée à ce sujet est la chimie théorique. Les chimistes théoriques utilisent largement les ordinateurs pour les aider à résoudre des équations mathématiques complexes. D'autres branches de la chimie physique comprennent la thermodynamique chimique, qui traite de la relation entre la chaleur et d'autres formes d'énergie chimique, et la cinétique chimique, qui cherche à mesurer et à comprendre les taux de réactions chimiques. L'électrochimie étudie l'interrelation du courant électrique et des changements chimiques. Le passage d'un courant électrique à travers une solution chimique provoque des changements dans les substances constitutives qui sont souvent réversibles, c'est-à-dire que dans des conditions différentes, les substances modifiées elles-mêmes produiront un courant électrique. Les batteries courantes contiennent des substances chimiques qui, lorsqu'elles sont mises en contact les unes avec les autres en fermant un circuit électrique, délivrent du courant à une tension constante jusqu'à ce que les substances soient consommées. Actuellement, il existe un grand intérêt pour les appareils qui peuvent utiliser l'énergie du soleil pour provoquer des réactions chimiques dont les produits sont capables de stocker l'énergie. La découverte de tels appareils permettrait une utilisation généralisée de l'énergie solaire.
Il existe de nombreuses autres disciplines de la chimie physique qui s'intéressent davantage aux propriétés générales des substances et aux interactions entre les substances qu'aux substances elles-mêmes. La photochimie est une spécialité qui étudie l'interaction de la lumière avec la matière. Les réactions chimiques initiées par l'absorption de la lumière peuvent être très différentes de celles qui se produisent par d'autres moyens. La vitamine D, par exemple, se forme dans le corps humain lorsque l'ergostérol stéroïde absorbe le rayonnement solaire; l'ergostérol ne se transforme pas en vitamine D dans l'obscurité.
Une sous-discipline en développement rapide de la chimie physique est la chimie de surface. Il examine les propriétés des surfaces chimiques, en s'appuyant fortement sur des instruments qui peuvent fournir un profil chimique de ces surfaces. Chaque fois qu'un solide est exposé à un liquide ou à un gaz, une réaction se produit initialement à la surface du solide et ses propriétés peuvent en conséquence changer considérablement. L'aluminium en est un exemple: il résiste à la corrosion précisément parce que la surface du métal pur réagit avec l'oxygène pour former une couche d'oxyde d'aluminium, qui sert à protéger l'intérieur du métal d'une oxydation supplémentaire. De nombreux catalyseurs de réaction remplissent leur fonction en fournissant une surface réactive sur laquelle les substances peuvent réagir.
