1.1 Efnafræði í samhengi

1.1 Efnafræði í samhengi

Í gegnum mannkynssöguna hefur fólk reynt að breyta efni í gagnlegri form. Forfeður okkar á steinöld mótuðu tinnusteina í gagnleg verkfæri og skáru út styttur og leikföng úr viði. Þessi viðleitni fólst í því að breyta lögun efnis án þess að breyta efninu sjálfu. En eftir því sem þekking okkar jókst fór fólk einnig að breyta samsetningu efnanna — leir var breytt í leirker, húðir voru sútaðar til að búa til fatnað, kopargrýti var umbreytt í koparverkfæri og vopn, og úr korni var bakað brauð.

Menn byrjuðu að stunda efnafræði þegar þeir lærðu að stjórna eldi og nota hann til að elda, búa til leirker og bræða málma. Í kjölfarið fóru þeir að aðskilja og nota tiltekna hluta efnis. Ýmis lyf, svo sem alóe, myrra og ópíum, voru einangruð úr plöntum. Litarefni, eins og indígó og týrískur purpuri, voru unnin úr plöntum og dýrum. Málmar voru sameinaðir til að mynda málmblöndur — til dæmis var kopri og tini blandað saman til að búa til brons — og flóknari bræðsluaðferðir gáfu af sér járn. Basar voru unnir úr ösku og sápur voru búnar til með því að blanda þessum bösum við fitu. Áfengi var framleitt með gerjun og hreinsað með eimingu.

Tilraunir til að skilja hegðun efnis ná meira en 2500 ár aftur í tímann. Strax á sjöttu öld fyrir Krist ræddu grískir heimspekingar kerfi þar sem vatn var undirstaða allra hluta. Þú gætir hafa heyrt um þá grísku tilgátu að efni samanstandi af fjórum grunnefnum: jörð, lofti, eldi og vatni. Í kjölfarið breiddist samsteypa efnafræðilegra tækniaðferða og heimspekilegra vangaveltna út frá Egyptalandi, Kína og austanverðu Miðjarðarhafi fyrir tilstilli gullgerðarmanna, sem reyndu að umbreyta „óeðalmálmum“ eins og blýi í „eðalmálma“ á borð við gull, og að búa til lífselixíra til að lækna sjúkdóma og lengja lífið (mynd 1.2).

Úr gullgerðarlistinni komu þær sögulegu framfarir sem leiddu til nútímaefnafræði: einangrun lyfja úr náttúrulegum uppsprettum á borð við jurtir og dýr. Þótt mörg efnanna sem unnin voru úr slíkum náttúrulegum uppsprettum hafi skipt sköpum við meðferð sjúkdóma voru mörg þeirra af skornum skammti. Til dæmis varð prógesterón, sem er afar mikilvægt fyrir heilsu kvenna, fáanlegt sem lyf árið 1935, en uppsprettur þess úr dýrum gáfu aðeins af sér afar lítið magn, sem takmarkaði framboðið og gerði lyfið dýrt. Með sama hætti var kortisón tekið í notkun á fimmta áratug 20. aldar til meðferðar á liðagigt og öðrum kvillum og meiðslum, en smíði þess krafðist 36 þrepa ferlis. Efnafræðingurinn Percy Lavon Julian sneri sér að ríkulegri uppsprettu: sojabaunum. Áður hafði Julian sett á fót rannsóknarstofu til að einangra sojaprótín, sem nýtt var meðal annars við slökkvistörf. Hann einbeitti sér að nýtingu sojasteróla — efna sem finnast einkum í frumuhimnum plantna — og honum tókst fljótt að framleiða prógesterón og síðar testósterón og önnur hormón. Síðar þróaði hann sambærilegt ferli fyrir kortisón og lagði þar með grunninn að hönnun nútímalyfja. Þar sem sojabaunir og aðrar áþekkar uppsprettur úr plönturíkinu voru mjög ríkulegar urðu þessi lyf fljótt víða fáanleg og björguðu fjölda mannslífa.

Efnafræði: Lykilvísindin

Efnafræði kallast stundum „lykilvísindin“ vegna þess hve náin tengsl hún hefur við fjölda annarra STEM-greina (STEM stendur fyrir vísindi, tækni, verkfræði og stærðfræði). Efnafræði og tungumál efnafræðinga gegna mikilvægu hlutverki í líffræði, læknisfræði, efnisvísindum, réttarvísindum, umhverfisvísindum og mörgum öðrum greinum (mynd 1.3). Grunnlögmál eðlisfræðinnar eru nauðsynleg til að skilja marga þætti efnafræðinnar. Mikil skörun er á milli margra undirgreina þessara tveggja fræðasviða, svo sem í efnaeðlisfræði og kjarnefnafræði. Stærðfræði, tölvunarfræði og upplýsingafræði veita mikilvæg verkfæri sem hjálpa okkur að reikna, túlka, greina og almennt skilja efnaheiminn. Líffræði og efnafræði mætast í lífefnafræði, sem er lykilatriði til að skilja þá mörgu og flóknu þætti og ferla sem halda lífverum (eins og okkur) á lífi. Efnaverkfræði, efnisvísindi og nanótækni sameina efnafræðileg lögmál og raunprófaðar niðurstöður til að framleiða gagnleg efni, allt frá bensíni til vefnaðarvöru og rafeindatækni. Landbúnaður, matvælafræði, dýralæknisfræði, ásamt bjór- og víngerð, hjálpa til við að sjá íbúum heimsins fyrir næringu í formi matar og drykkjar. Læknisfræði, lyfjafræði, líftækni og grasafræði greina og framleiða efni sem hjálpa til við að halda okkur heilbrigðum. Umhverfisvísindi, jarðfræði, haffræði og lofthjúpsfræði nýta margar efnafræðilegar hugmyndir til að hjálpa okkur að skilja og vernda efnisheim okkar betur. Efnafræðilegar hugmyndir eru einnig notaðar til að hjálpa til við að skilja alheiminn í stjörnufræði og heimsfræði.

Hvaða breytingar á efni eru ómissandi í daglegu lífi? Melting og nýting fæðu, smíði fjölliða sem notaðar eru til að framleiða fatnað, ílát, eldhúsáhöld og kreditkort, og vinnsla hráolíu í bensín og aðrar afurðir eru aðeins nokkur dæmi. Eftir því sem þú heldur áfram í þessum áfanga muntu uppgötva mörg mismunandi dæmi um breytingar á samsetningu og byggingu efnis. Þú munt læra að flokka þessar breytingar, hvernig þær eiga sér stað, hverjar orsakir þeirra eru, hvaða orkubreytingar fylgja þeim og hvaða lögmál eiga við. Þegar þú lærir um þetta lærir þú efnafræði, sem er rannsókn á samsetningu, eiginleikum og víxlverkunum efnis. Efnafræði er ekki aðeins stunduð í efnafræðibókum eða á rannsóknarstofum. Hún á sér stað hvenær sem einhver kemur að breytingum á efni eða aðstæðum sem geta leitt til slíkra breytinga.

Vísindalega aðferðin

Efnafræði er vísindagrein sem byggist á athugunum og tilraunum. Að stunda efnafræði felur í sér að reyna að svara spurningum og útskýra athuganir með hliðsjón af lögmálum og kenningum efnafræðinnar, með því að nota aðferðir sem vísindasamfélagið viðurkennir. Það er engin ein leið til að svara spurningu eða útskýra athugun, en það er einn þáttur sem er sameiginlegur öllum nálgunum: Hver og ein nýtir þekkingu sem byggist á tilraunum sem hægt er að endurtaka til að sannreyna niðurstöðurnar. Sumar leiðir fela í sér tilgátu, sem er bráðabirgðaútskýring á athugunum sem þjónar sem leiðarvísir við að safna upplýsingum og sannreyna þær. Tilgáta er prófuð með tilraunum, útreikningum og/eða samanburði við tilraunir annarra og síðan betrumbætt eftir þörfum.

Sumar tilgátur eru tilraunir til að útskýra þá hegðun sem tekin er saman í lögmálum. Lögmál vísindanna draga saman gríðarlegan fjölda tilraunaathugana og útskýra eða spá fyrir um einhvern þátt náttúrunnar. Ef slík tilgáta reynist geta útskýrt mikið magn tilraunagagna getur hún öðlast stöðu kenningar. Vísindalegar kenningar eru vel rökstuddar, yfirgripsmiklar og prófanlegar útskýringar á tilteknum þáttum náttúrunnar. Kenningar eru samþykktar vegna þess að þær veita fullnægjandi útskýringar, en þeim má breyta ef ný gögn koma fram. Sú uppgötvunarleið sem liggur frá spurningu og athugun til lögmáls eða tilgátu og loks til kenningar, ásamt tilraunaprófun á tilgátunni og hvers kyns nauðsynlegum breytingum á kenningunni, kallast vísindalega aðferðin (mynd 1.4).

Svið efnafræðinnar

Efnafræðingar rannsaka og lýsa hegðun efnis og orku á þremur mismunandi sviðum: hinu stórsæja, hinu smásæja og hinu táknræna. Þessi svið veita mismunandi leiðir til að skoða efnafræðilega hegðun og lýsa henni.

Makró er grískt orð sem þýðir „stórt“. Hið stórsæja svið er okkur kunnuglegt. Það er heimur hversdagslegra hluta sem eru nógu stórir til að skynjast beint með sjón eða snertingu. Í daglegu lífi tekur þetta til matarins sem við borðum og golunnar sem við finnum á andlitinu. Hið stórsæja svið nær yfir hversdagslega efnafræði og rannsóknarstofuefnafræði, þar sem við athugum og mælum eðlis- og efnaeiginleika á borð við eðlismassa, leysni og eldfimi.

Míkró kemur úr grísku og þýðir „lítið“. Hið smásæja svið efnafræðinnar nálgumst við oft í huganum. Suma þætti hins smásæja sviðs má sjá í gegnum venjulegar ljóssmásjár, til dæmis margar líffræðilegar frumur. Þróaðri tæki geta myndað enn smærri einingar eins og sameindir og frumeindir (sjá mynd 1.5 (b)).

Hins vegar eru flest viðfangsefni á hinu smásæja sviði efnafræðinnar of lítil til að sjást jafnvel með fullkomnustu smásjám og aðeins er hægt að sjá þau fyrir sér í huganum. Aðrir þættir hins smásæja sviðs eru meðal annars jónir og rafeindir, róteindir og nifteindir, auk efnatengja, sem eru öll allt of smá til að sjást.

Hið táknræna svið inniheldur það sérhæfða tungumál sem notað er til að tákna þætti hins stórsæja og smásæja sviðs. Efnatákn (eins og þau sem notuð eru í lotukerfinu), efnaformúlur og efnajöfnur tilheyra hinu táknræna sviði, sem og línurit, teikningar og útreikningar. Þessi tákn gegna mikilvægu hlutverki í efnafræði vegna þess að þau hjálpa til við að túlka hegðun á hinu stórsæja sviði með hliðsjón af þáttum hins smásæja sviðs. Ein af áskorununum fyrir nemendur sem læra efnafræði er að átta sig á því að sömu táknin geta staðið fyrir mismunandi hluti á hinu stórsæja og smásæja sviði. Einn af þeim eiginleikum sem gerir efnafræði heillandi er notkun á sviði sem þarf að ímynda sér til að útskýra hegðun á sviði sem hægt er að fylgjast með.

Gagnleg leið til að skilja sviðin þrjú er í gegnum hið lífsnauðsynlega og alltumlykjandi efni, vatn. Að vatn sé vökvi við miðlungshita, frjósi og verði að föstu efni við lægra hitastig og sjóði og verði að gasi við hærra hitastig (mynd 1.5) eru stórsæjar athuganir. En sumir eiginleikar vatns falla undir hið smásæja svið — það sem ekki er hægt að sjá með berum augum. Sú lýsing að vatn samanstandi af tveimur vetnisfrumeindum og einni súrefnisfrumeind, og útskýringin á frystingu og suðu með hliðsjón af aðdráttarafli milli þessara sameinda, tilheyra hinu smásæja sviði. Formúlan H₂O, sem getur lýst vatni bæði á stórsæja og smásæja stiginu, er dæmi um hið táknræna svið. Skammstafanirnar (g) fyrir gas, (s) fyrir fast efni og (l) fyrir vökva eru einnig táknrænar.