Dela med sig:
10 kemiska reaktioner som förändrade världen
Kemi omger oss varje dag. Från att laga mat för att driva våra bilar till vår egen kroppsliga ämnesomsättning, kan vi inte undgå den konstanta omläggningen av atomer och utbyte av energi som är kemi.
Fastän denna konstanta växling av atomer bildar en nästan obunden bakgrund i våra dagliga liv, finns det några reaktioner som verkligen förändrats eller kommer att förändras, hur mänskligheten har levt. Några på grund av vad vi kunde göra med dem. Andra på grund av vad de visade oss. Men allt blev landmärken på mänsklighetens resa.
Här är 10 kemiska reaktioner som förändrat världen.
10 ammoniaksyntes
Kväve är en av de viktigaste elementen för livet, kanske bakom bara kol. Det är en nyckelkomponent i DNA, RNA, proteiner och kitin (en biologisk polymer som liknar cellulosa som finns i svampar, insekter, hummer, räkor och viss fisk). Kväve är också en av de mest rikliga elementen på jorden, och utgör cirka 78 procent av jordens atmosfär. Kväve i atmosfären finns emellertid i form av N2, vilket är mycket oreaktivt och inte användbart för de flesta livsformer.
Därför måste kväve fixas genom att omvandla den till mer reaktiva former, såsom ammoniak, nitrater och nitrit. I naturen görs det vanligen av specialiserade bakterier. Dessa bakterier bildar en symbiotisk (vilket betyder att båda organismerna gagnar) samband med många växter, som lever i knutar i rotterna.
Men inte alla växter utgör detta förhållande. I synnerhet när det gäller kommersiellt jordbruk fixar inte grödor som majs kväve utan absorberar den från jorden. Om en gröda som inte fixar kväve odlas under flera årstider, blir det nödvändigt att tillsätta gödselmedel. Men få naturligt förekommande material har tillräckligt med kväve för att fungera som ett gödningsmedel. För att möta ökade krav på mat var det därför nödvändigt att hitta ett bättre sätt att producera kvävegödselmedel.
Haber-Bosch-processen var det första steget. Utvecklat av Fritz Haber och Carl Bosch 1918 använde processen både höga temperaturer och höga tryck och en järnkatalysator för att producera en stor mängd ammoniak från gasformigt väte och kväve.
Eftersom ammoniak var relativt billigt att producera blev det ett lönsamt alternativ till naturliga gödningsmedel. Idag är ammoniak den näst mest producerade kemikalien med tonnage, bara svavelsyra.
9 Polymerisering av polyeten
Plast revolutionerade världen. Eftersom de lätt formas, resistenta mot både värme och kemiska attacker, och billiga att göra, har plast blivit ett allmänt förekommande material i vardagen, speciellt polyeten. Kommer i en mängd olika former som högdensitetspolyeten och lågdensitetspolyeten, används den i plastpåsar, mjölkflaskor och till och med kollisionsskyddade västar.
Polyeten upptäcktes oavsiktligt 1933 av två forskare som arbetar för Imperial Chemical Industries Research Laboratory medan man försöker reagera eten och bensaldehyd. Istället upptäcktes ett vaxartat material, vilket befanns vara en polymer av etylen. En polymer är en substans som består av många upprepande enheter. Andra polymerer innefattar cellulosa och DNA.
Vid 1937 hade materialet utvecklats som en film och användes som isolering för trådar och radar komponenter av britterna under andra världskriget. Eftersom det gjorde elektriska komponenter tillräckligt lätta att placera i plan, var dess konstruktion och tillverkning en starkt skyddad hemlighet. I dag är polyeten den mest producerade plasten i världen, med 81,8 miljoner ton gjord 2015 och nästan 100 miljoner ton beräknas göras 2018.
8 Förbränning av väte
I slutet av 1700-talet var kemi en underutvecklad vetenskap. Den flesta kemi var rotad i de grekiska elementen av luft, vatten, jord och eld, med tillägg gjorda för att förklara observationer.
En av de mest anmärkningsvärda tilläggen var phlogiston. Utvecklat av Georg Stahl, uppgav konceptet att alla brandfarliga ämnen innehöll ett brandelement kallat phlogiston. Vid förbränning skulle denna phlogiston gå förlorad i luften. Detta verkade förklara varför bränt träkol vägde mindre än det ursprungliga träkolet. Men denna teori misslyckades med att förklara varför vissa ämnen, som fosfor och svavel, fick massa vid förbränning.
Ange Antoine Lavoisier, en fransk forskare som var mycket skeptisk till teorin om phlogiston. I kanske hans mest kända experiment förbrände han vad som var känt som brandbar luft (vätgas) med normal luft. Produkten var vatten. Lavoisier trodde att vatten måste vara en kombination av ett ämne i luften (vilket han kallade syre) och den brandfarliga luften.
Han stödde vidare sin hypotes genom att sönderdela vatten till syre och väte. I 1789 publicerades Lavoisiers nya system för kemi fullständigt i sin lärobok Traite elementaire de Chimie ("Kemiska element"), som övergav det grekiska systemet och lagt grunden för modern kemi.
7 Reduktion och oxidation av zink och silver
När Alessandro Volta föddes i Como, Italien, år 1745 var el ett dåligt förstått fenomen. Det var känt att elektricitet kunde genomföras och att det kom i två former (vad som senare kommer att bli känt som positivt och negativt).
Strax efter Volts födelse demonstrerades det av Benjamin Franklin att blixten faktiskt var elektricitet. Även om Volta inte hade en utbildning på universitetsnivå blev han allmänt känd som en vetenskapsman i sin tid. År 1775 utvecklade han den eviga elektroforen, en förbättring av tidigare versioner av elektroforen. Emellertid skulle en annan uppfinning vara hans viktigaste.
År 1780 gjorde forskare Luigi Galvani påstående att djurmuskler producerade el när de drog sig. Han kallade denna "animalisk el" och trodde att den var annorlunda än vanlig el.
Volta var oense och noterade att Galvanis grodben var kopplade till två olika metaller under experimenten. Volta fortsatte att visa att genom att stapla växlande metallskivor av silver och zink, med koksaltvattendukar mellan varje skiva, kunde han skapa en stadig elektrisk ström utan djur.
Det var emellertid genast erkänt att Voltas uppfinning var mycket mer användbar än att bara avgöra sin tvist med Galvani. Alla tidigare källor till elektricitet kan bara generera det i brister. Genom att skapa en jämn ström tillåter Voltas uppfinning en mer noggrann studie, som ligger till grund för Faradays revolutionära arbete inom elektromagnetism.
6 Syntese av urea
Vitalism var en teori om att levande system styrdes av helt andra principer än nonliving-system. Dessutom trodde man att komponenterna som bildade levande system inte kunde tillverkas av nonliving-komponenter. Denna tro hölls i stor utsträckning på 1800-talet och brukade förklara varför många levande system verkade obegripliga jämfört med nonliving-system.
Den tyska forskaren Friedrich Wohler ändrade dock det. Wohler var redan känd för sin isolering av rent aluminium år 1825 och försökte syntetisera ammoniumcyanat 1828. Men när han omsatte silvercyanat och ammoniumklorid i ett försök att producera ammoniumcyanatet producerade han istället vita kristaller. Han identifierade senare ämnet som urea.
Urea hade isolerats 1773 av fransk kemist Hilaire-Marin Rouelle. Detta innebar att Wohler bara hade syntetiserat en organisk förening, som bestred en av de grundläggande principerna om vitalism. Wohlers arbete skulle fortsätta lägga grunden för organisk kemi.
5 PCR
Polymeraskedjereaktion (PCR) är överlägset den mest komplicerade reaktionen på denna lista men potentiellt den mest användbara och spännande. PCR uppfanns 1983 av Kary Mullis, som till slut vann ett Nobelpris för sitt arbete.
Processen fungerar genom att uppvärma DNA så att den separeras i två enkla strängar. (DNA är dubbelsträngat.) Sedan kan primrar fästas på de enskilda DNA-strängarna. Enzymer som kallas DNA-polymeraser fäster vid primerställena och replikerar resten av DNA-strängen. Denna process kan upprepas många gånger, varvid varje iteration fördubbar teoretiskt antalet exakta DNA-kopior.
Möjligheten att replikera DNA öppnade dörrar på många områden. Det gick rättsmedicinska forskare att tillämpa genetiska tekniker även om det bara fanns en liten mängd genetiskt material kvar på brottsplatsen. I medicin är det användbart att hjälpa till att identifiera orsaken till infektioner. I forskning var det en väsentlig metod som användes under sekvenseringen av det humana genomet.
Utöver dessa är det nu en allestädes närvarande teknik inom biologi och biokemi laboratorier världen över.
4 Fetthydrering
Har du en burk Crisco i ditt skafferi? Skulle det överraska dig om jag berättade att Crisco var resultatet av en av världens mest revolutionära framsteg inom livsmedelsteknologi?
Allt börjar med skillnaden mellan animaliska fetter och vegetabiliska fetter. Fetter hos djur tenderar att vara mättade, vilket betyder att allt kol i fettet är bunden till det maximala antalet atomer. Fetter i växter tenderar att vara omättade, vilket innebär att en del av kolet i dessa fetter inte är bunden till det maximala antalet atomer.
1902 utvecklade Wilhelm Normann en process som gjorde det möjligt att tillsätta väte till omättade fetter, vilket skulle göra dem till mättade fetter eller åtminstone mer mycket mättade fetter. År 1909 förvärvade Procter & Gamble Normanns patent. Två år senare släppte de Crisco, en förkortning som till största delen gjordes av hydrogenerad bomullsfröolja, vilket var billigare än standardfärg.
Det var dock bara början. Vid 1979 hade cirka 60 procent av alla fetter som konsumeras i Förenta staterna hydrogenerats. Men det var en mörk sida att hydrogenera. Naturliga omättade fettsyror förekommer nästan uteslutande i cis-konfigurationen, vilket medför att fettmolekylerna har en böj eller kink i dem och inte heller kan passa ihop. Detta är anledningen till att mest omättade fetter är vätskor.
Under hydreringen tar emellertid vissa omättade fettsyror upp transkonfigurationen. Från och med 1990-talet visade forskning att hög konsumtion av transfetter resulterade i negativa hälsoeffekter. Kort därefter började FDA att reglera mängden transfett i mat och vissa lokaliteter förbjöd även dessa ämnen. Detta ledde till en eventuell nedgång av hydrogenerade fetter.
3 Ozonförstöring
Mekanisk kylteknik hade varit i vanligt bruk sedan åtminstone 1870-talet. Det fanns emellertid ett stort problem som begränsade tekniken vid den tiden. De flesta kylmedierna (ämnen som används för att flytta värme från kylskåp till utsidan) var antingen högt giftiga eller mycket brandfarliga. Tyvärr var det relativt vanligt att människor dör på grund av läckande kylmedel.
För att lösa detta problem gick Frigidaire, Dupont och General Motors samman för att hitta ett kylmedel som skulle vara mycket säkrare. Resultatet var Freon, en blandning av en klass av kemikalier som kallas klorfluorkolväten (CFC). Freon var så säker att dess uppfinnare båda inhalerade det direkt och sedan andades ut på ett ljus framför American Chemical Society.
CFCs hade dock ett okänt problem vid den tiden. Med så många kylskåp som använder CFC, nått kemikalien snabbt signifikanta nivåer i atmosfären.När de utsätts för ultraviolett ljus i den övre atmosfären, skulle CFC ofta ge bort en kloratom.
Klor är mycket reaktivt och katalyserar nedbrytningen av ozon (O3) till molekylärt syre (O2). Eftersom katalysatorer bara påskyndar reaktionshastigheten och inte konsumeras i reaktionen kan en molekyl av en CFC leda till att tusentals eller till och med miljontals ozolmolekyler förstörs, vilket orsakar storskalig uttömning av ozonskiktet.
Idag regleras CFCs högt av Montrealprotokollet och används inte längre som kylmedel. De har ersatts av en liknande klass av föreningar som kallas hydrofluorkolväten (HFC). Även om HFC har nackdelar (de är en mycket stark växthusgas) har det inte funnits några nyutvecklade kylmedel som är både icke-toxiska och brännbara.
2 Vatten Med Koldioxid
Koldioxid är kanske mest känd för sin roll som växthusgas. Eftersom nivåerna av koldioxid i atmosfären steg, gjorde det också genomsnittliga globala temperaturer. Men det finns en andra mörk sida mot koldioxid och det händer varje dag när vi dricker en läsk.
Koldioxid reagerar reversibelt med vatten för att bilda kolsyra. Några av denna kolsyra bryts sedan ner i bikarbonat och sedan karbonatjoner medan frisättning av H + (frisättning av H + är den avgörande egenskapen för syror som kallas Bronsted-Lowry-syror). Denna syra är en del av den skarpa känslan av en frisk soda.
Koldioxid i atmosfären kan dock reagera på samma sätt med vattnet i havet. I själva verket absorberar havet ungefär en fjärdedel av koldioxiden som släpps varje år.
Som ett resultat har pH-värdet på ytvattnet minskat med cirka 0,1 pH-enheter sedan början av den industriella revolutionen, vilket är en nästan 30 procent ökning av surheten. Medan denna ökning av syraförmågan gynnar vissa organismer som alger och seagrasser, är det skadligt för många organismer som ostron, musslor, skaldjur och koraller.
En FN-rapport uppskattade att havsurringning skulle kunna kosta så mycket som 1 biljon dollar vid 2100.
1 Förtvålning
Det är ganska vanligt att olja och vatten inte blandas. Anledningen till detta har att göra med ett begrepp som kallas polaritet. Enkelt uttryckt är vattenmolekylerna polära och oljemolekylerna är inte. Eftersom vattenmolekylerna är polära är det fördelaktigare för dem att vara bredvid varandra än vid en ickepolär oljemolekyl. Men som alla kockar vet kan detta ge ett problem när det gäller att städa disken. Fettet kommer inte att blandas med vattnet och stannar kvar på maträtten.
Svaret är tvål. Tvålmolekyler har både polära och icke-polära delar till dem. Den polära delen blandas med vattnet medan den icke-polära delen blandas med oljan, vilket gör att oljan bildar små droppar i vattnet som lättare avlägsnas.
Reaktionen som används för att skapa tvål är förtvålningsreaktionen. Ursprungligen framställdes tvål genom uppvärmning av salt, aska och djurfett tillsammans i vatten. De första kända sålarna gjordes med användning av denna process i Babylon 2800 f.Kr. Idag görs tvål genom att reagera antingen natriumhydroxid eller kaliumhydroxid med fettsyror (som härrör från fettmolekyler).
För andra ändamål än personlig hygien har tvål dock till stor del ersatts av tvättmedel. Dessa rengöringsmedel liknar tvålar men är vanligtvis härledda från petrokemikalier och har flera fördelar jämfört med tvål. De tenderar att vara längre utan att sönderdelas. De tenderar också att vara mer lösliga i kallt vatten eller hårt vatten (vatten som har ett relativt högt kalciuminnehåll), vilket innebär att vi inte är så troliga att se den otäcka tvålskummen.