Podíl:
10 chemických reakcí, které změnily svět
Chemie nás obklopuje každý den. Od vaření našeho jídla k řízení našich vozů k našemu vlastnímu tělesnému metabolismu nemůžeme uniknout neustálému přeskupování atomů a výměně energie, která je chemie.
Ačkoli toto neustále posunutí atomů tvoří v našem každodenním životě téměř nepovšimatelné zázemí, existují některé reakce, které skutečně změnily nebo se změnily, jak lidstvo žilo. Někteří kvůli tomu, co bychom s nimi mohli udělat. Jiní kvůli tomu, co nám ukázali. Ale všechny se staly orientačním bodem cesty lidstva.
Zde je 10 chemických reakcí, které změnily svět.
10 Syntéza amoniaku
Dusík je jedním z nejdůležitějších prvků života, možná za uhlíkem. Je to klíčová součást DNA, RNA, bílkovin a chitinu (biologický polymer podobný celulóze nacházejícímu se v houbách, hmyzu, humřích, krevetě a některých rybách). Dusík je také jedním z nejvíce hojných prvků na Zemi, tvořících přibližně 78 procent zemské atmosféry. Avšak dusík v atmosféře existuje ve formě N2, který je vysoce nereaktivní a není užitečný pro většinu životních forem.
Proto musí být dusík fixován převedením do reaktivnějších forem, jako je čpavek, dusičnany a dusitany. V přírodě to obvykle dělají specializované bakterie. Tyto bakterie tvoří symbiotický (což znamená, že oba organismy mají prospěch) vztah s mnoha rostlinami, žijící v uzlinách v kořenech.
Nicméně, ne všechny rostliny tvoří tento vztah. Zejména v případě komerčního hospodaření, plodiny, jako je kukuřice, nezpevňují dusík, ale absorbují ho z půdy. Pokud se plodina, která nezpevňuje dusík, pěstuje několik sezón, bude nutné přidat hnojivo. Nicméně málo přirozeně se vyskytujících materiálů má dostatek dusíku, aby fungovalo jako hnojivo. Abychom uspokojili rostoucí nároky na potraviny, bylo proto nutné najít lepší způsob, jak vyrábět dusíkaté hnojivo.
Proces Haber-Bosch byl prvním krokem. Vyvinutý Fritzem Haberem a Carlem Boschem v roce 1918 proces využíval jak vysoké teploty, tak vysoké tlaky a železný katalyzátor, který produkoval velké množství amoniaku z plynného vodíku a dusíku.
Vzhledem k tomu, že amoniak byl relativně levný, stal se životaschopnou alternativou k přírodním hnojivům. Dnes je čpavek druhou nejvíce produkovanou chemikálií podle tonáže, a to pouze po kyselině sírové.
9 Polymerizace polyethylenu
Plastiková revoluce ve světě. Jelikož jsou snadno tvarovatelné, odolné vůči tepelnému a chemickému napadení a levné, plasty se staly všudypřítomným materiálem v každodenním životě - zejména polyethylenu. V různých formách, jako je polyethylen s vysokou hustotou a polyethylen s nízkou hustotou, se používá v plastových sáčcích, lahvích s mlékem a dokonce i na neprůstřelných vestách.
Polyetylén byl náhodou objeven v roce 1933 dvěma vědci, kteří pracují pro laboratoř Imperial Chemical Industries Research Laboratory při pokusu o reakci ethylenu a benzaldehydu. Namísto toho byl objeven voskový materiál, který byl nalezen jako polymer z ethylenu. Polymer je látka, která se skládá z mnoha opakujících se jednotek. Jiné polymery zahrnují celulózu a DNA.
Do roku 1937 byl materiál vyvinut jako film a byl používán jako izolace pro dráty a radarové komponenty Britů ve druhé světové válce. Vzhledem k tomu, že elektrické součástky byly dostatečně lehké k umístění do letadel, byla jejich struktura a výroba vysoce chráněným tajemstvím. Dnes je polyethylen nejvíce vyrobeným plastu na světě, přičemž v roce 2015 bylo vyrobeno 81,8 milionu tun a téměř 20 milionů tun se odhaduje na rok 2018.
8 Spalování vodíku
V pozdních 1700s, chemie byla underdeveloped věda. Většina chemie byla zakořeněna v řeckých prvcích vzduchu, vody, země a ohně, s doplňky, které byly nutné k vysvětlení pozorování.
Jedním z nejvýznamnějších přírůstků byl phlogiston. Vyvinutý Georgem Stahlem koncept uvedl, že všechny hořlavé látky obsahovaly požární prvek nazývaný phlogiston. Při spalování by se tento phlogiston ztrácel ve vzduchu. Zdálo se, že to, co spálilo dřevěné uhlí, vážilo méně než původní dřevěné uhlí. Tato teorie však nedokázala vysvětlit, proč některé látky, jako je fosfor a síra, dosáhly při spalování hmoty.
Zadejte Antoina Lavoisiera, francouzského vědce, který byl velmi skeptický vůči teorii phlogistonu. V jeho nejslavnějším experimentu spaloval normální vzduch, který byl znám jako hořlavý vzduch (plynný vodík). Produkt byl voda. Lavoisier věřil, že voda musí být kombinací látky ve vzduchu (který nazval kyslíkem) a hořlavého vzduchu.
Dále podpořil svou hypotézu tím, že rozložil vodu na kyslík a vodík. V roce 1789 byl nový systém chemie Lavoisier zcela publikován ve své učebnici Traite elementaire de Chimie ("Prvky chemie"), které opustily řecký systém a položily základy pro moderní chemii.
7 Redukce a oxidace zinku a stříbra
Když se Alessandro Volta narodil v Como v Itálii v roce 1745, elektřina byla špatně pochopeným jevem. Bylo známo, že elektřina může být vedena a že se objevuje ve dvou formách (co později bude známo jako pozitivní a negativní).
Krátce po narození Volta Benjamin Franklin prokázal, že blesk byl vlastně elektřinou. Ačkoli Volta neměl vysokoškolské vzdělání, stal se všeobecně známý jako vědec v jeho dnešní době. V roce 1775 vyvinul věčný electrophorus, zlepšení starších verzí elektroforů. Jiným vynálezem však měl být jeho nejdůležitější.
V roce 1780 vědec Luigi Galvani učinil tvrzení, že živočišné svaly produkují elektřinu, když se smluvili. Nazval tuto "živočišnou elektřinu" a věřil, že se liší od pravidelné elektřiny.
Volta nesouhlasil a poznamenal, že Galvaniho žabí nohy byly během experimentů připojeny k dvěma různým kovům. Volta prokázal, že stohováním střídavých kovových disků stříbra a zinku se sojovými hadry mezi jednotlivými kotouči vytvoří stálý elektrický proud bez zvířat.
Nicméně bylo okamžitě uznáno, že Voltaův vynález byl daleko užitečnější než jen urovnání jeho sporu s Galvanim. Všechny předchozí zdroje elektřiny mohly generovat pouze v burstách. Vytvořením stálého proudu umožnil Voltův vynález ještě přísnější studium a položil základy pro revoluční dílo Faradaje v elektromagnetismu.
6 Syntéza močoviny
Vitalismus byla teorie, že živé systémy byly řízeny zcela odlišnými principy než neživé systémy. Dále se předpokládalo, že součásti, které vytvořily živé systémy, nemohly být vyrobeny z neživých komponent. Tato víra byla široce konaná v 19. století a byla používána k vysvětlení, proč se mnoho živých systémů zdálo nepochopitelné ve srovnání s neživými systémy.
Nicméně německý vědec Friedrich Wohler to změnil. Již známý pro jeho izolaci čistého hliníku v roce 1825, pracoval Wohler na pokusu o syntézu kyanátu amonného v roce 1828. Nicméně, když reagoval se stříbrným kyanátem a chloridem amonným ve snaze vyrobit kyanát amonný, místo toho produkoval bílé krystaly. Později identifikoval látku jako močovinu.
Urea byla izolována v roce 1773 francouzským chemikem Hilairem-Marinem Rouellem. To znamenalo, že Wohler právě syntetizoval organickou sloučeninu, která vyvrátila jednu ze základních principů vitalismu. Wohlerova práce by pokračovala v položení základů pro oblast organické chemie.
5 PCR
Polymerázová řetězová reakce (PCR) je zdaleka nejsložitější reakcí na tomto seznamu, ale potenciálně nejvíce užitečná a vzrušující. PCR byl vynalezen v roce 1983 Kary Mullis, který nakonec získal za svou práci Nobelovu cenu.
Proces funguje zahříváním DNA tak, aby se oddělil na dvě jednoduché prameny. (DNA je dvouvláknová). Potom mohou být na jednotlivé řetězce DNA připojeny primery. Enzymy nazvané DNA polymerázy se připojují na místa primeru a replikují zbytek řetězce DNA. Tento proces lze opakovat mnohokrát, přičemž každá iterace teoreticky zdvojnásobuje počet přesných kopií DNA.
Schopnost replikovat DNA otevřela dveře v mnoha polích. To umožnilo forenzním vědcům používat genetické techniky, i kdyby na místě činu zůstalo jen malé množství genetického materiálu. V medicíně je užitečné pomáhat identifikovat příčinu infekcí. Ve výzkumu to byla základní technika používaná při sekvencování lidského genomu.
Mimo to je nyní všudypřítomnou technikou v biologických a biochemických laboratořích po celém světě.
4 Hydratace tuku
Máte sklenici Crisco ve své spížce? Překvapilo by tě, kdybych ti řekla, že Crisco je výsledkem jednoho z nejrevolučnějších technologií v oblasti potravin?
Vše začíná rozdílem mezi živočišnými tuky a rostlinnými tuky. Tuky u zvířat mají tendenci být nasycené, což znamená, že veškerý uhlík v tuku je spojen s maximálním počtem atomů. Tuky v rostlinách mají tendenci být nenasycené, což znamená, že část uhlíku v těchto tucích nebyla spojena s maximálním počtem atomů.
V roce 1902 vyvinul Wilhelm Normann proces, který umožnil přidání vodíku k nenasyceným tukům, které by je změnily na nasycené tuky nebo alespoň více nasycené tuky. V roce 1909 získal Normanův patent Procter & Gamble. O dva roky později vydali Crisco, zkrácení většinou z hydrogenovaného bavlníkového oleje, který byl levnější než standardní sádlo.
To však bylo jen začátek. V roce 1979 bylo přibližně 60 procent všech tuků spotřebovaných ve Spojených státech hydrogenováno. Ale k hydrogenaci byla tmavá stránka. Přírodní nenasycené mastné kyseliny se vyskytují téměř výhradně v konfiguraci cis, což způsobuje, že molekuly tuku mají v ohybu nebo klouzání a nemohou se také vejít do sebe. To je důvod, proč většina nenasycených tuků jsou kapaliny.
Během hydrogenace však některé nenasycené mastné kyseliny přebírají konfiguraci trans. Počínaje devadesátými léty výzkum ukázal, že vysoká konzumace trans-tuků vedla k nepříznivým účinkům na zdraví. Krátce poté FDA začal regulovat množství trans-tuků v potravinách a některé lokality dokonce zakázaly tyto látky. To vedlo k eventuálnímu poklesu hydrogenovaných tuků.
3 Zničení ozonu
Mechanická chladicí technologie byla běžně používána alespoň od roku 1870. Nicméně, tam byl obrovský problém, který omezil technologii v té době. Většina chladiva (látky používané k přemístění tepla z chladniček do vnějšího prostředí) byla buď vysoce toxická nebo vysoce hořlavá. Bohužel bylo poměrně běžné, že lidé zemřeli kvůli úniku chladiva.
K vyřešení tohoto problému se společnosti Frigidaire, Dupont a General Motors spojily své síly, aby našly chladivo, které by bylo mnohem bezpečnější. Výsledkem byl Freon, směs tříd chemikálií nazývaných chlorfluorované uhlovodíky (CFC). Freon byl tak bezpečný, že jeho vynálezce přímo inhaloval a pak ho vydechl na svíčku před Americkou chemickou společností.
Nicméně CFC měly v té době neznámý problém. Při tolika chladničkách, které používají CFC, chemická látka rychle dosáhla významných hladin v atmosféře.Při vystavení ultrafialovému světlu v horní atmosféře by CFC často uvolňovaly atom chloru.
Chlor je vysoce reaktivní a katalyzuje rozklad ozonu (O3) na molekulární kyslík (O2). Jako katalyzátory pouze zrychlují rychlost reakce a nejsou spotřebovávány při reakci, jedna molekula CFC by mohla vést k destrukci tisíců nebo dokonce milionů molekul ozonu, což způsobuje rozsáhlé vyčerpání ozonové vrstvy.
Dnes jsou CFC vysoce regulovány Montrealským protokolem a již se nepoužívají jako chladiva. Byly nahrazeny obdobnou skupinou sloučenin známých jako hydrofluorované uhlovodíky (HFC). Zatímco HFC mají také nevýhody (jsou to velmi silné skleníkové plyny), nedošlo k nově vyvinutým chladivům, které by byly jak netoxické, tak nehořlavé.
2 voda s oxidem uhličitým
Oxid uhličitý je možná nejlépe známý svou rolí skleníkových plynů. Jak se zvýšila hladina oxidu uhličitého v atmosféře, tak i průměrné globální teploty. Nicméně, tam je druhá tmavá strana na oxid uhličitý, a to se stane každý den, když pijeme soda.
Oxid uhličitý reverzibilně reaguje s vodou za vzniku kyseliny uhličité. Část této kyseliny uhličité se pak rozpadá na bikarbonát a potom uhličitanové ionty, zatímco uvolňuje H + (uvolnění H + je definující charakteristika kyselin zvaných Bronsted-Lowry kyseliny). Tato kyselina je součástí ostrého pocitu čerstvé sody.
Oxid uhličitý v atmosféře však může reagovat stejným způsobem jako voda v oceánu. Ve skutečnosti oceán absorbuje přibližně jednu čtvrtinu oxidu uhličitého uvolňovaného každý rok.
Výsledkem je, že pH povrchových oceánských vod kleslo od začátku průmyslové revoluce přibližně o 0,1 pH, což je téměř o 30 procentní zvýšení acidity. Zatímco tento vzrůst kyselosti přináší užitek některým organismům, jako jsou řasy a mořských řas, je škodlivý pro mnoho organismů, jako jsou ústřice, škeble, měkkýši a korály.
Jedna zpráva OSN odhadovala, že acidifikace oceánů by mohla do roku 2100 stát až 1 bilion dolarů.
1 Saponifikace
Je docela dobře známo, že olej a voda se nemíchají. Důvodem to má co do činění s konceptem nazývaným polarita. Jednoduše řečeno, molekuly vody jsou polární a molekuly oleje nejsou. Protože molekuly vody jsou polární, je pro ně příznivější být vedle sebe než vedle nepolární molekuly oleje. Nicméně, jak to zná některý kuchař, může to způsobit problém při čištění nádobí. Mazivo se nesmí mísit s vodou a zůstává na misce.
Odpověď je mýdlem. Molekuly mýdla mají k sobě polární i nepolární součásti. Polární část se mísí s vodou, zatímco nepolární část se mísí s olejem, což oleji umožňuje vytvářet ve vodě malé kapičky, které se snadněji odstraňují.
Reakce používané k vytvoření mýdla je reakce zmýdelnění. Původně bylo mýdlo vyrobeno zahříváním soli, popelu a živočišných tuků dohromady ve vodě. První známé mýdla byly vyrobeny pomocí tohoto procesu v Babylonu v roce 2800 př.nl. Dnes je mýdlo vyrobeno reakcí buď hydroxidu sodného nebo hydroxidu draselného s mastnými kyselinami (které jsou odvozeny z molekul tuku).
Pro jiné účely, než je osobní hygiena, byly mýdla převážně nahrazeny detergenty. Tyto čisticí prostředky jsou podobné mýdlům, ale obvykle jsou odvozeny z petrochemických látek a mají několik výhod oproti mýdlům. Oni mají tendenci trvat déle, aniž by se rozkládali. Oni také mají tendenci být rozpustnější ve studené vodě nebo tvrdé vodě (voda, která má relativně vysoký obsah vápníku), což znamená, že není tak pravděpodobné, že vidí, že šílené mýdlo sprat.