1.2: Kemia katika Muktadha

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza maendeleo ya kihistoria ya kemia
• Kutoa mifano ya umuhimu wa kemia katika maisha ya kila siku
• Eleza njia ya kisayansi
• Tofauti kati ya nadharia, nadharia, na sheria
• Kutoa mifano inayoonyesha vikoa vya macroscopic, microscopic, na mfano

Katika historia ya binadamu, watu wamejaribu kubadili jambo kuwa fomu muhimu zaidi. Wazee wetu wa Stone Age walipiga vipande vya jiwe katika zana muhimu na kuni zilizochongwa kwenye sanamu na vidole. Juhudi hizi zilihusisha kubadilisha sura ya dutu bila kubadilisha dutu yenyewe. Lakini ujuzi wetu ulipoongezeka, binadamu walianza kubadilisha muundo wa vitu pia—udongo ulibadilishwa kuwa ufinyanzi, ngozi ziliponywa kutengeneza nguo, ores za shaba zilibadilishwa kuwa zana za shaba na silaha, na nafaka ikafanywa kuwa mkate.

Binadamu walianza kufanya mazoezi ya kemia walipojifunza kudhibiti moto na kuitumia kupika, kutengeneza ufinyanzi, na kuyeyusha metali. Baadaye, walianza kutenganisha na kutumia vipengele maalum vya suala. Dawa mbalimbali kama vile aloe, manemane, na afyuni zilitengwa na mimea. Dyes, kama vile indigo na zambarau za Tyrian, ziliondolewa kwenye jambo la mimea na wanyama. Vyuma viliunganishwa kuunda aloi-kwa mfano shaba na bati zilichanganywa pamoja ili kutengeneza shaba-na mbinu zenye kufafanua zaidi za smelting zinazozalishwa chuma. Alkali ziliondolewa kwenye majivu, na sabuni ziliandaliwa kwa kuchanganya alkali hizi na mafuta. Pombe ilizalishwa na fermentation na kutakaswa na kunereka.

Majaribio ya kuelewa tabia ya suala hupanua nyuma kwa zaidi ya miaka 2500. Mapema karne ya sita KK, wanafalsafa wa Kigiriki walijadili mfumo ambao maji yalikuwa msingi wa vitu vyote. Huenda umesikia kuhusu Kigiriki kudai kwamba jambo lina mambo manne: dunia, hewa, moto, na maji. Baadaye, mchanganyiko wa teknolojia za kemikali na uvumi wa falsafa ulienea kutoka Misri, China, na Mediterranean ya mashariki na wanakemia, ambao walijitahidi kubadilisha “metali ya msingi” kama vile risasi kuwa “metali nzuri” kama dhahabu, na kuunda elixirs kutibu magonjwa na kupanua maisha ( Kielelezo 1.2).

Kielelezo 1.2 (a) Picha hii inaonyesha semina ya alchemist ya circa 1580. Ingawa alchemy alifanya michango muhimu ya jinsi ya kuendesha jambo, haikuwa kisayansi na viwango vya kisasa. (b) Wakati vifaa vinavyotumiwa na Alma Levant Hayden katika picha hii ya 1952 vinaweza kuonekana kama vyema kama unavyoweza kupata katika maabara leo, mbinu yake ilikuwa yenye methodical na kwa makini kumbukumbu. Mkuu wa idara katika FDA, Hayden ni maarufu zaidi kwa kufichua dawa ya kupambana na saratani inayouzwa kwa uadui kama kitu zaidi kuliko suluhisho lisilo na manufaa la vitu vya kawaida. (mikopo: Chemical Heritage Foundation; b: NIH Historia Ofisi)

Kutoka alchemy alikuja maendeleo ya kihistoria ambayo yalisababisha kemia ya kisasa: kutengwa kwa madawa ya kulevya kutoka vyanzo vya asili, kama mimea na wanyama. Lakini wakati vitu vingi vilivyotokana au kusindika kutoka vyanzo vya asili vilikuwa muhimu katika kutibu magonjwa, wengi walikuwa haba. Kwa mfano, progesterone, ambayo ni muhimu kwa afya ya wanawake, ilipatikana kama dawa mwaka 1935, lakini vyanzo vyake vya wanyama vilizalisha kiasi kidogo sana, kikwazo cha upatikanaji wake na kuongeza gharama zake. Vivyo hivyo, katika miaka ya 1940, cortisone ilianza kutumika kutibu ugonjwa wa arthritis na matatizo mengine na majeraha, lakini ilichukua mchakato wa hatua 36 ili kuunganisha. Mtaalamu wa dawa Percy Lavon Julian aligeuka chanzo kikubwa zaidi: soya. Hapo awali, Julian alikuwa ameanzisha maabara ya kutenganisha protini ya soya, ambayo ilitumiwa katika kuzima moto kati ya matumizi mengine. Alilenga kutumia sterols-dutu za soya zinazotumiwa hasa katika utando wa mimea-na aliweza kuzalisha haraka progesterone na baadaye testosteroni na homoni nyingine. Baadaye alianzisha mchakato wa kufanya hivyo kwa cortisone, na kuweka msingi wa kubuni ya kisasa ya madawa ya kulevya. Kwa kuwa soya na vyanzo vilivyofanana vya mimea vilikuwa vingi sana, madawa ya kulevya hivi karibuni yalipatikana sana, kuokoa maisha mengi.

Kemia: Sayansi ya Kati

Wakati mwingine kemia hujulikana kama “sayansi ya kati” kutokana na ushirikiano wake na safu kubwa ya taaluma nyingine za STEM (STEM inasimama kwa maeneo ya utafiti katika nyanja za sayansi, teknolojia, uhandisi, na hisabati). Kemia na lugha ya maduka ya dawa hufanya majukumu muhimu katika biolojia, dawa, sayansi ya vifaa, forensics, sayansi ya mazingira, na maeneo mengine mengi (Kielelezo 1.3). Kanuni za msingi za fizikia ni muhimu kwa kuelewa mambo mengi ya kemia, na kuna mwingiliano mkubwa kati ya taaluma ndogo nyingi ndani ya nyanja hizo mbili, kama vile fizikia ya kemikali na kemia ya nyuklia. Hisabati, sayansi ya kompyuta, na nadharia ya habari hutoa zana muhimu zinazotusaidia kuhesabu, kutafsiri, kuelezea, na kwa ujumla kufanya maana ya ulimwengu wa kemikali. Biolojia na kemia hujiunga katika biokemia, ambayo ni muhimu kwa kuelewa mambo mengi magumu na taratibu zinazoweka viumbe hai (kama vile sisi) hai. Uhandisi wa kemikali, sayansi ya vifaa, na teknolojia ya nanoteknolojia huchanganya kanuni za kemikali na matokeo ya upimaji ili kuzalisha vitu muhimu, kuanzia petroli hadi vitambaa hadi umeme Kilimo, sayansi ya chakula, sayansi ya mifugo, na kutengeneza pombe na mvinyo husaidia kutoa riziki kwa namna ya chakula na vinywaji kwa idadi ya watu duniani. Dawa, pharmacology, bioteknolojia, na botania kutambua na kuzalisha vitu vinavyosaidia kutuweka na afya. Sayansi ya mazingira, jiolojia, oceanografia, na sayansi ya anga huingiza mawazo mengi ya kemikali ili kutusaidia kuelewa vizuri na kulinda ulimwengu wetu wa kimwili. Mawazo ya kemikali hutumiwa kusaidia kuelewa ulimwengu katika astronomia na kosmolojia.

Kielelezo 1.3 Maarifa ya kemia ni muhimu kwa kuelewa taaluma mbalimbali za kisayansi. Mchoro huu unaonyesha baadhi tu ya mahusiano kati ya kemia na maeneo mengine.

Je, ni baadhi ya mabadiliko katika jambo ambalo ni muhimu kwa maisha ya kila siku? Kuchimba na kuimarisha chakula, kuunganisha polima zinazotumika kutengeneza nguo, vyombo, cookware, na kadi za mkopo, na kusafisha mafuta yasiyosafishwa kuwa petroli na bidhaa nyingine ni mifano michache tu. Unapoendelea kupitia kozi hii, utagundua mifano mingi tofauti ya mabadiliko katika muundo na muundo wa suala, jinsi ya kuainisha mabadiliko haya na jinsi yalitokea, sababu zao, mabadiliko ya nishati yanayoongozana nao, na kanuni na sheria zinazohusika. Unapojifunza kuhusu mambo haya, utajifunza kemia, utafiti wa utungaji, mali, na mwingiliano wa jambo. Mazoezi ya kemia hayatoshi kwa vitabu vya kemia au maabara: Inatokea kila mtu anapohusika na mabadiliko katika suala au katika hali ambayo inaweza kusababisha mabadiliko hayo.

Njia ya kisayansi

Kemia ni sayansi inayotokana na uchunguzi na majaribio. Kufanya kemia kunahusisha kujaribu kujibu maswali na kueleza uchunguzi katika suala la sheria na nadharia za kemia, kwa kutumia taratibu zinazokubaliwa na jamii ya kisayansi. Hakuna njia moja ya kujibu swali au kuelezea uchunguzi, lakini kuna kipengele cha kawaida kwa kila mbinu: Kila hutumia ujuzi kulingana na majaribio ambayo yanaweza kutolewa tena ili kuthibitisha matokeo. Njia zingine zinahusisha hypothesis, maelezo ya tentative ya uchunguzi ambayo hufanya kama mwongozo wa kukusanya na kuangalia habari. hypothesis ni kipimo na majaribio, hesabu, na/au kulinganisha na majaribio ya wengine na kisha kusafishwa kama inahitajika.

Baadhi ya nadharia ni majaribio ya kueleza tabia ambayo ni muhtasari katika sheria. Sheria za sayansi zinafupisha idadi kubwa ya uchunguzi wa majaribio, na kuelezea au kutabiri sehemu fulani ya ulimwengu wa asili. Ikiwa hypothesis hiyo inageuka kuwa na uwezo wa kuelezea mwili mkubwa wa data ya majaribio, inaweza kufikia hali ya nadharia. Nadharia za kisayansi ni vizuri substantiated, kina, maelezo testable ya mambo fulani ya asili. Nadharia zinakubaliwa kwa sababu zinatoa maelezo ya kuridhisha, lakini zinaweza kubadilishwa kama data mpya zinapatikana. Njia ya ugunduzi inayoongoza kutoka swali na uchunguzi wa sheria au nadharia ya nadharia, pamoja na ukaguzi wa majaribio ya hypothesis na mabadiliko yoyote muhimu ya nadharia, inaitwa njia ya kisayansi (Kielelezo 1.4).

Kielelezo 1.4 Njia ya kisayansi ifuatavyo mchakato sawa na ule ulioonyeshwa kwenye mchoro huu. Vipengele vyote muhimu vinaonyeshwa, kwa karibu na utaratibu sahihi. Maendeleo ya kisayansi ni nadra nadhifu na safi: Inahitaji uchunguzi wazi na reworking ya maswali na mawazo katika kukabiliana na matokeo ya utafiti.

Domains ya Kemia

Wanakemia hujifunza na kuelezea tabia ya suala na nishati katika nyanja tatu tofauti: macroscopic, microscopic, na mfano. Vikoa hivi hutoa njia tofauti za kuzingatia na kuelezea tabia za kemikali.

Macro ni neno la Kigiriki linalomaanisha “kubwa.” Kikoa cha macroscopic kinajulikana kwetu: Ni eneo la mambo ya kila siku ambayo ni kubwa ya kutosha kuhisi moja kwa moja na kuona binadamu au kugusa. Katika maisha ya kila siku, hii ni pamoja na chakula unachokula na upepo unaojisikia kwenye uso wako. Kikoa cha macroscopic kinajumuisha kemia ya kila siku na maabara, ambapo tunachunguza na kupima mali za kimwili na kemikali kama vile wiani, umumunyifu, na kuwaka.

Micro hutoka Kigiriki na ina maana “ndogo.” Domain microscopic ya kemia mara nyingi hutembelewa katika mawazo. Vipengele vingine vya uwanja wa microscopic huonekana kupitia microscopes ya kawaida ya macho, kwa mfano, seli nyingi za kibiolojia. Vyombo vya kisasa zaidi vina uwezo wa kupiga picha hata vyombo vidogo kama vile molekuli na atomi (angalia Kielelezo 1.5 (b)).

Hata hivyo, wengi wa masomo katika uwanja microscopic ya kemia ni ndogo mno kuonekana hata kwa hadubini ya juu zaidi na inaweza tu kuwa picha katika akili. Vipengele vingine vya uwanja wa microscopic ni pamoja na ions na elektroni, protoni na nyutroni, na vifungo vya kemikali, ambayo kila moja ni ndogo mno kuona.

Kikoa cha mfano kina lugha maalumu inayotumiwa kuwakilisha vipengele vya vikoa vya macroscopic na microscopic. Ishara za kemikali (kama vile zile zinazotumiwa katika meza ya mara kwa mara), formula za kemikali, na milinganyo ya kemikali ni sehemu ya uwanja wa mfano, kama vile grafu, michoro, na mahesabu. Ishara hizi zina jukumu muhimu katika kemia kwa sababu zinasaidia kutafsiri tabia ya uwanja wa macroscopic kwa suala la vipengele vya uwanja wa microscopic. Moja ya changamoto kwa wanafunzi kujifunza kemia ni kutambua kwamba alama hiyo inaweza kuwakilisha mambo tofauti katika nyanja macroscopic na microscopic, na moja ya vipengele vinavyofanya kemia kuvutia ni matumizi ya uwanja ambao lazima kufikiri kuelezea tabia katika uwanja ambayo inaweza kuwa kuzingatiwa.

Njia muhimu ya kuelewa nyanja tatu ni kupitia dutu muhimu na ya kawaida ya maji. Kwamba maji ni kioevu kwa joto la wastani, itafungia kuunda imara kwenye joto la chini, na kuchemsha kuunda gesi kwenye joto la juu (Kielelezo 1.5) ni uchunguzi wa macroscopic. Lakini baadhi ya mali ya maji huanguka katika uwanja wa microscopic- kile ambacho hakiwezi kuzingatiwa kwa jicho la uchi. Maelezo ya maji kama inahusu atomi mbili za hidrojeni na atomi moja ya oksijeni, na maelezo ya kufungia na kuchemsha katika suala la vivutio kati ya molekuli hizi, ni ndani ya uwanja wa microscopic. Fomu H ₂ O, ambayo inaweza kuelezea maji katika ngazi za macroscopic au microscopic, ni mfano wa uwanja wa mfano. Vifupisho (g) kwa gesi, (s) kwa imara, na (l) kwa kioevu pia ni mfano.

Kielelezo 1.5 (a) Unyevu katika hewa, barafu, na bahari huwakilisha maji katika uwanja wa macroscopic. (b) Katika ngazi ya Masi (uwanja wa microscopic), molekuli za gesi ziko mbali na hazipatikani, molekuli za maji imara ziko karibu na kupangwa, na molekuli za kioevu ziko karibu na hazipatikani. (c) Fomu H ₂ O inaashiria maji, na (g), (s), na (l) inaashiria awamu zake. Kumbuka kwamba mawingu kwa kweli yanajumuisha matone madogo ya maji ya maji au fuwele za maji imara; maji ya gesi katika anga yetu hayaonekani kwa jicho la uchi, ingawa inaweza kuonekana kama unyevu. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na “Gorkaazk” /Wikimedia Commons)