Dele:
10 kjemiske reaksjoner som endret verden
Kjemi omgir oss hver dag. Fra å lage mat til å kjøre bilene våre til vår egen kroppslige metabolisme, kan vi ikke unnslippe den konstante omplassering av atomer og utveksling av energi som er kjemi.
Selv om denne konstante forskyvningen av atomer danner en nesten ukjennelig bakgrunn i vårt daglige liv, er det noen reaksjoner som virkelig har forandret seg, eller vil forandre, hvordan menneskeheten har bodd. Noen på grunn av hva vi kunne gjøre med dem. Andre på grunn av det de viste oss. Men alle ble landemerker i menneskehetens reise.
Her er 10 kjemiske reaksjoner som forandret verden.
10 Ammoniaksyntese
Nitrogen er en av de viktigste elementene for livet, kanskje bak bare karbon. Det er en nøkkelkomponent i DNA, RNA, proteiner og kitin (en biologisk polymer som ligner på cellulose som finnes i sopp, insekter, hummer, reker og noen fisk). Nitrogen er også et av de rikeste elementene på jorden, og utgjør omtrent 78 prosent av jordens atmosfære. Imidlertid eksisterer nitrogen i atmosfæren i form av N2, som er svært ureaktiv og ikke nyttig for de fleste livsformer.
Derfor må nitrogen løses ved å konvertere det til mer reaktive former, som ammoniakk, nitrater og nitritter. I naturen gjøres dette vanligvis av spesialiserte bakterier. Disse bakteriene danner en symbiotisk (som betyr at begge organismer nytter) forholdet til mange planter, som lever i knuter i røttene.
Men ikke alle planter danner dette forholdet. Spesielt når det gjelder kommersielt oppdrett, gjør ikke avlinger som korn ikke kvarts, men absorberer det fra jorda. Hvis en avling som ikke fikser nitrogen, vokser i flere årstider, vil det være nødvendig å legge til gjødsel. Imidlertid har få naturlig forekommende materialer nok nitrogen til å fungere som en gjødsel. Derfor, for å møte økende krav til mat, var det nødvendig å finne en bedre måte å produsere nitrogengjødsel på.
Haber-Bosch-prosessen var det første trinnet. Utviklet av Fritz Haber og Carl Bosch i 1918, brukte prosessen både høye temperaturer og høytrykk og en jernkatalysator for å produsere en stor mengde ammoniakk fra gassformig hydrogen og nitrogen.
Da ammoniakk var relativt billig å produsere, ble det et levedyktig alternativ til naturlige gjødselstoffer. I dag er ammoniakk den nest mest produserte kjemikalien etter tonnasje, bare svovelsyre.
9 Polymerisering av polyetylen
Plast revolusjonerte verden. Som de er lett støpt, motstandsdyktig mot både varme og kjemiske angrep, og billig å lage, har plast blitt et allestedsnærværende materiale i hverdagen - spesielt polyetylen. Kommer i en rekke former som polyetylen med høy tetthet og lavdensitetspolyetylen, brukes den i plastposer, melkflasker og til og med kuletette vester.
Polyetylen ble ved et uhell oppdaget i 1933 av to forskere som jobbet for Imperial Chemical Industries Research Laboratory mens de prøvde å reagere etylen og benzaldehyd. I stedet ble det oppdaget et voksaktig materiale som ble funnet å være en polymer av etylen. En polymer er et stoff som består av mange gjentatte enheter. Andre polymerer innbefatter cellulose og DNA.
I 1937 var materialet utviklet som en film og ble brukt som isolasjon for ledninger og radarkomponenter av britene i andre verdenskrig. Da det gjorde elektriske komponenter lett nok til å plassere i fly, var dens struktur og produksjon en svært bevoktet hemmelighet. I dag er polyetylen den mest produserte plasten i verden, med 81,8 millioner tonn produsert i 2015 og nesten 100 millioner tonn forventes å bli produsert i 2018.
8 Forbrenning av hydrogen
På slutten av 1700-tallet var kjemi en underutviklet vitenskap. De fleste kjemi var forankret i greske elementer av luft, vann, jord og brann, med tillegg som ble gjort for å forklare observasjoner.
En av de mest bemerkelsesverdige tilleggene var phlogiston. Utviklet av Georg Stahl, konkluderte konseptet at alle brennbare stoffer inneholdt et brannelement kalt phlogiston. Ved forbrenning ville denne phlogiston gå tapt i luften. Dette syntes å forklare hvorfor brent kull veide mindre enn det opprinnelige trekullet. Imidlertid klarte ikke denne teorien å forklare hvorfor noen stoffer, som fosfor og svovel, fikk masse under forbrenning.
Skriv inn Antoine Lavoisier, en fransk forsker som var veldig skeptisk til teorien om phlogiston. I kanskje hans mest berømte eksperiment forbrente han det som var kjent som brennbar luft (hydrogengass) med normal luft. Produktet var vann. Lavoisier trodde at vann må være en kombinasjon av et stoff i luften (som han kalte oksygen) og den brennbare luften.
Han støttet sin hypotese videre ved å nedbryte vann til oksygen og hydrogen. I 1789 ble Lavoisiers nye kjemiske system fullt ut utgitt i sin lærebok Traite elementaire de Chimie ("Kjemiske elementer"), som forlot det greske systemet og lagde grunnlaget for moderne kjemi.
7 Reduksjon og oksidasjon av sink og sølv
Da Alessandro Volta ble født i Como, Italia, i 1745, var elektrisitet et dårlig forstått fenomen. Det var kjent at elektrisitet kunne utføres og at det kom i to former (det som senere kommer til å bli kjent som positivt og negativt).
Kort etter Voltas fødsel ble det demonstrert av Benjamin Franklin at lynet faktisk var elektrisitet. Selv om Volta ikke hadde en utdanning på universitetsnivå, ble han allment kjent som en forsker i sin tid. I 1775 utviklet han det evige elektroforet, en forbedring på tidligere versjoner av elektroforet. Imidlertid skulle en annen oppfinnelse være hans viktigste.
I 1780 gjorde forsker Luigi Galvani kravet på at dyrmusklene produserte strøm når de ble kontrakt. Han kalte dette "dyrelektrisitet" og trodde det var annerledes enn vanlig strøm.
Volta var uenig og bemerket at Galvanis froskben hadde vært koblet til to forskjellige metaller under forsøkene. Volta fortsatte å demonstrere at ved å stable alternerende metallskiver av sølv og sink, med saltvannskledde kluter mellom hver plate, kunne han skape en jevn elektrisk strøm uten dyr.
Imidlertid ble det umiddelbart anerkjent at Voltas oppfinnelse var langt mer nyttig enn å bare avgjøre sin tvist med Galvani. Alle tidligere kilder til elektrisitet kan bare generere det i brister. Ved å generere en jevn strøm, tillot Volta sin oppfinnelse for mer streng studie, som legger grunnlaget for Faradays revolusjonære arbeid innen elektromagnetisme.
6 Syntese av urea
Vitalisme var en teori om at levende systemer ble styrt av helt forskjellige prinsipper enn nonliving-systemer. I tillegg ble det antatt at komponentene som gjorde opp levende systemer ikke kunne være laget av nonliving komponenter. Denne troen ble utbredt i 1800-tallet, og ble brukt til å forklare hvorfor mange levende systemer virket uforståelige sammenlignet med nonliving-systemer.
Den tyske forskeren Friedrich Wohler endret imidlertid det. Already kjent for sin isolering av rent aluminium i 1825 jobbet Wohler med å forsøke å syntetisere ammoniumcyanat i 1828. Men da han reagerte sølvcyanat og ammoniumklorid i et forsøk på å produsere ammoniumcyanatet, produserte han i stedet hvite krystaller. Han identifiserte senere stoffet som urea.
Urea ble isolert i 1773 av fransk kjemiker Hilaire-Marin Rouelle. Dette betydde at Wohler nettopp hadde syntetisert en organisk forbindelse, noe som avviste en av de grunnleggende prinsippene om vitalisme. Wohlers arbeid ville fortsette å legge grunnlaget for organisk kjemi.
5 PCR
Polymerasekjedereaksjon (PCR) er langt den mest kompliserte reaksjonen på denne listen, men potensielt den mest nyttige og spennende. PCR ble oppfunnet i 1983 av Kary Mullis, som til slutt fikk en Nobelpris for sitt arbeid.
Prosessen virker ved å oppvarme DNA slik at den adskiller seg i to enkle tråder. (DNA er dobbeltstrenget.) Da kan primere festes til de enkelte DNA-strengene. Enzymer som kalles DNA-polymeraser fester på primerstedene og replikerer resten av DNA-strengen. Denne prosessen kan gjentas mange ganger, med hver iterasjon dobler teoretisk antall eksakte DNA-kopier.
Evnen til å kopiere DNA åpnet dører på mange felt. Det tillot rettsmedisinske forskere å anvende genetiske teknikker selv om det bare var en liten mengde genetisk materiale igjen på forbrytelsesstedet. I medisin er det nyttig å bidra til å identifisere årsaken til infeksjoner. I forskning var det en viktig teknikk som ble brukt under sekvenseringen av det menneskelige genom.
Utover disse er det nå en allestedsnærværende teknikk i biologi og biokjemi laboratorier over hele verden.
4 Fetthydrering
Har du en krukke med Crisco i ditt pantry? Ville det overraske deg hvis jeg fortalte deg at Crisco var et resultat av en av verdens mest revolusjonerende fremskritt innen matsteknologi?
Det hele begynner med forskjellen mellom animalsk fett og plantefett. Fett i dyr har en tendens til å være mettet, noe som betyr at alt karbon i fettet er bundet til det maksimale antall atomer. Fett i planter har en tendens til å være umettet, noe som betyr at noe av karbonet i de fettene ikke var bundet til det maksimale antall atomer.
I 1902 utviklet Wilhelm Normann en prosess som gjorde det mulig å legge til hydrogen til umettede fettstoffer, noe som ville gjøre dem til mettet fett eller minst mer høyt mettet fett. I 1909 kjøpte Procter & Gamble Normanns patent. To år senere lanserte de Crisco, en forkortelse laget hovedsakelig av hydrogenert bomullsfrøolje, som var billigere enn standard lard.
Men det var bare begynnelsen. Innen 1979 hadde omtrent 60 prosent av alle fettforbruket i USA blitt hydrogenert. Men det var en mørk side for hydrogenering. Naturlige umettede fettsyrer forekommer nesten utelukkende i cis-konfigurasjonen, noe som fører til at fettmolekylene har en bøyning eller kink i dem og ikke kan passe sammen også. Dette er grunnen til at mest umettede fett er væsker.
Men under hydrogenering tar noen umettede fettsyrer opp trans-konfigurasjonen. Fra 1990-tallet viste forskning at høyt forbruk av transfett resulterte i negative helseeffekter. Kort tid etter begynte FDA å regulere mengden av transfett i mat og enkelte steder forbød selv disse stoffene. Dette førte til en eventuell nedgang av hydrogenerte fettstoffer.
3 Ozon Destruction
Mekanisk kjølingsteknologi hadde vært i vanlig bruk siden minst 1870-tallet. Det var imidlertid et stort problem som begrenset teknologien på den tiden. De fleste kjølemidler (stoffer som brukes til å flytte varmen fra innsiden av kjøleskapene til utsiden) var enten svært giftige eller svært brennbare. Dessverre var det relativt vanlig for folk å dø på grunn av lekkende kjølemiddel.
For å løse dette problemet, kom Frigidaire, Dupont og General Motors sammen for å finne et kjølemiddel som ville være mye tryggere. Resultatet var Freon, en blanding av en klasse kjemikalier kalt klorfluorkarboner (CFC). Freon var så trygg at oppfinneren begge inhalerte den direkte og deretter pustet den ut på et lys foran American Chemical Society.
Imidlertid hadde CFCer et ukjent problem på den tiden. Med så mange kjøleskap som bruker CFC, nådde kjemikalien raskt betydelige nivåer i atmosfæren.Når de eksponeres for ultrafiolett lys i den øvre atmosfæren, vil CFCer ofte gi av et kloratom.
Klor er svært reaktiv og katalyserer nedbrytningen av ozon (O3) til molekylært oksygen (O2). Ettersom katalysatorer bare øker hastigheten på en reaksjon og ikke forbrukes i reaksjonen, kan et molekyl av en CFC føre til ødeleggelse av tusenvis eller til og med millioner av ozonmolekyler, forårsaker storskala uttømming av ozonlaget.
I dag er CFCer høyt regulert av Montreal-protokollen og brukes ikke lenger som kjølemiddel. De har blitt erstattet av en lignende klasse av forbindelser kjent som hydrofluorkarboner (HFC). Mens HFC har også ulemper (de er en veldig sterk drivhusgass), har det ikke vært nyutviklede kjølemidler som er både ikke-toksiske og ikke-brennbare.
2 vann med karbondioksid
Kullsyre er kanskje best kjent for sin rolle som drivhusgass. Som nivået av karbondioksid i atmosfæren steg, gjorde det også gjennomsnittlige globale temperaturer. Det er imidlertid en annen mørk side mot karbondioksid, og det skjer hver dag når vi drikker en brus.
Karbondioksid reagerer reversibelt med vann for å danne karbonsyre. Noen av denne karbonsyren bryter deretter ned i bikarbonat og deretter karbonationer mens frigjøring av H + (frigjøring av H + er den definerende egenskapen for syrer som kalles Bronsted-Lowry-syrer). Denne syren er en del av den skarpe følelsen av en frisk brus.
Kullsyre i atmosfæren kan imidlertid reagere på samme måte med vannet i havet. Faktisk absorberer havet omtrent en fjerdedel av karbondioksidet som slippes hvert år.
Som et resultat av dette har pH-verdien på overflatevannet avtappet med ca. 0,1 pH-enheter siden begynnelsen av den industrielle revolusjonen, som er en nesten 30 prosent økning i surhet. Mens denne økningen i surhet fordeler noen organismer som alger og seagrasser, er det skadelig for mange organismer som østers, muslinger, skalldyr og koraller.
En FN-rapport anslått at syresyring kunne koste så mye som $ 1 billioner innen 2100.
1 forsegling
Det er ganske vanlig kunnskap om at olje og vann ikke blandes. Årsaken til dette har å gjøre med et konsept som kalles polaritet. Enkelt sagt, vannmolekyler er polare og oljemolekyler er ikke. Som vannmolekyler er polare, er det mer gunstig for dem å være ved siden av hverandre enn ved siden av et ikke-polart oljemolekyl. Men som enhver kokk vet, kan dette gi et problem når det gjelder rengjøring av servisene. Fettet vil ikke blande seg med vannet og forblir på fatet.
Svaret er såpe. Såpemolekyler har både polare og ikke-polare deler til dem. Den polare delen blandes med vannet mens den ikke-polare delen blandes med oljen, noe som gjør at oljen kan danne små dråper i vannet som lettere fjernes.
Reaksjonen som brukes til å lage såpe er forsåpningsreaksjonen. Opprinnelig ble såpe laget ved oppvarming av salt, aske og animalsk fett sammen i vann. De første kjente såper ble laget ved hjelp av denne prosessen i Babylon i 2800 f.Kr. I dag gjøres såpe ved å reagere enten natriumhydroksid eller kaliumhydroksyd med fettsyrer (som er avledet fra fettmolekyler).
For andre formål enn personlig hygiene, har såper i stor grad blitt erstattet av vaskemidler. Disse rengjøringsmiddelene ligner såper, men er vanligvis avledet fra petrokjemikalier og har flere fordeler over såper. De pleier å vare lenger uten å bryte ned. De har også en tendens til å være mer oppløselig i kaldt vann eller hardt vann (vann som har et relativt høyt kalsiuminnhold), noe som betyr at vi ikke er like sannsynlige å se den ekle såpeskummen.