Del:
10 kemiske reaktioner, der ændrede verden
Kemi omgiver os hver dag. Fra at lave mad til at køre vores biler til vores helt egen kropslige stofskifte, kan vi ikke undslippe den konstante omlejring af atomer og udveksling af energi, der er kemi.
Skønt denne konstante forskydning af atomer danner en næsten uanmeldelig baggrund i vores dagligdag, er der nogle reaktioner, der virkelig har ændret sig eller vil ændre, hvordan menneskeheden har levet. Nogle på grund af hvad vi kunne gøre med dem. Andre på grund af det, de viste os. Men alle blev landemærker i menneskehedens rejse.
Her er 10 kemiske reaktioner, der ændrede verden.
10 Ammoniaksyntese
Kvælstof er et af de vigtigste elementer for livet, måske kun bag kulstof. Det er en nøglekomponent i DNA, RNA, proteiner og chitin (en biologisk polymer, der ligner cellulose fundet i svampe, insekter, hummer, rejer og nogle fisk). Kvælstof er også et af de mest rigelige elementer på Jorden og udgør ca. 78 procent af Jordens atmosfære. Imidlertid findes der nitrogen i atmosfæren i form af N2, som er yderst ureaktiv og ikke anvendelig til de fleste livsformer.
Derfor skal nitrogen fastgøres ved at omdanne det til mere reaktive former, såsom ammoniak, nitrater og nitrit. I naturen sker dette normalt ved specialiserede bakterier. Disse bakterier danner et symbiotisk (hvilket betyder, at begge organismer nyder godt af) forholdet til mange planter, der lever i knuder i rødderne.
Men ikke alle planter danner dette forhold. Især i tilfælde af kommerciel landbrug, fastsætter afgrøder som majs ikke kvælstof, men absorberer det fra jorden. Hvis en afgrøde, der ikke fastsætter nitrogen, dyrkes i flere årstider, er det nødvendigt at tilføje gødning. Men få naturligt forekommende materialer har nok nitrogen til at fungere som en gødning. For at imødekomme stigende krav til mad var det derfor nødvendigt at finde en bedre måde at producere kvælstofgødning på.
Haber-Bosch-processen var det første skridt. Udviklet af Fritz Haber og Carl Bosch i 1918 anvendte processen både høje temperaturer og høje tryk og en jernkatalysator til at producere en stor mængde ammoniak fra gasformigt hydrogen og nitrogen.
Da ammoniak var forholdsvis billigt at producere, blev det et levedygtigt alternativ til naturlige gødninger. I dag er ammoniak det næstmest producerede kemikalie efter tonnage, kun svovlsyre.
9 Polymerisering af polyethylen
Plast revolutionerede verden. Da de let formes, modstandsdygtige over for både varme og kemiske angreb, og billige at lave, er plast blevet et allestedsnærværende materiale i hverdagen - især polyethylen. Kommer i en række forskellige former som højdensitetspolyethylen og lavdensitetspolyethylen, anvendes den i plastposer, mælkflasker og endda skudtætte veste.
Polyethylen blev ved et uheld opdaget i 1933 af to forskere, der arbejder for Imperial Chemical Industries Research Laboratory, mens de forsøgte at reagere ethylen og benzaldehyd. I stedet blev der opdaget et voksagtigt materiale, som viste sig at være en polymer af ethylen. En polymer er et stof der består af mange gentagende enheder. Andre polymerer indbefatter cellulose og DNA.
I 1937 var materialet udviklet som en film og blev brugt som isolering for ledninger og radar komponenter af briterne i anden verdenskrig. Da det gjorde elektriske komponenter lyse nok til at placere i fly, var dets struktur og fremstilling en stærkt bevogtet hemmelighed. I dag er polyethylen den mest producerede plast i verden, med 81,8 millioner tons lavet i 2015, og næsten 100 millioner tons anslås at blive foretaget i 2018.
8 Forbrænding af hydrogen
I slutningen af 1700'erne var kemi en underudviklet videnskab. Mest kemi var forankret i de græske elementer af luft, vand, jord og ild, med tilføjelser foretaget som nødvendigt for at forklare observationer.
En af de mest bemærkelsesværdige tilføjelser var phlogiston. Udviklet af Georg Stahl oplyste konceptet, at alle brandbare stoffer indeholdt et brandelement kaldet phlogiston. Ved forbrænding ville denne phlogiston gå tabt i luften. Dette syntes at forklare, hvorfor brændt trækul vejede mindre end det oprindelige trækul. Men denne teori undlod at forklare, hvorfor nogle stoffer, såsom fosfor og svovl, fik masse under forbrænding.
Indtast Antoine Lavoisier, en fransk videnskabsmand, der var meget skeptisk til teorien om phlogiston. I måske hans mest berømte eksperiment forbrændte han det, der var kendt som brændbar luft (hydrogengas) med normal luft. Produktet var vand. Lavoisier mente, at vand skal være en kombination af et stof i luften (som han kaldte ilt) og den brændbare luft.
Han støttede sin hypotese yderligere ved at nedbryde vand til ilt og hydrogen. I 1789 blev Lavoisiers nye kemiske system fuldt ud offentliggjort i sin lærebog Traite elementaire de Chimie ("Kemiske elementer"), som forladte det græske system og lagde grundlaget for moderne kemi.
7 Reduktion og oxidation af zink og sølv
Da Alessandro Volta blev født i Como, Italien, i 1745, var elektricitet et dårligt forstået fænomen. Det var kendt, at elektricitet kunne udføres, og at det kom i to former (hvad der senere vil blive kendt som positivt og negativt).
Kort efter Voltas fødsel blev det påvist af Benjamin Franklin at lynet faktisk var elektricitet. Selv om Volta ikke havde en uddannelse på universitetsniveau, blev han almindeligt kendt som en videnskabsmand i sin tid. I 1775 udviklede han den evige elektrofor, en forbedring af tidligere versioner af elektroforen. Imidlertid skulle en anden opfindelse være hans vigtigste.
I 1780 gjorde forsker Luigi Galvani påstanden om, at dyremuskler producerede elektricitet, da de blev kontraheret. Han kaldte denne "animalske elektricitet" og troede, at den var anderledes end almindelig elektricitet.
Volta var uenig og bemærkede, at Galvanis frøben havde været forbundet med to forskellige metaller under forsøgene. Volta fortsatte med at påvise, at ved at stable skift af metalplader af sølv og zink med brinevævede klud mellem hver skive, kunne han skabe en stabil elektrisk strøm uden dyr.
Imidlertid blev det umiddelbart anerkendt, at Voltas opfindelse var langt mere nyttig end blot at afklare sin tvist med Galvani. Alle tidligere kilder til elektricitet kunne kun generere det i udbrud. Ved at skabe en stabil strøm muliggjorde Voltas opfindelse en mere stringent undersøgelse, der lagde fundamentet for Faradays revolutionære arbejde inden for elektromagnetisme.
6 Syntese af urinstof
Vitalisme var en teori om, at levende systemer blev styret af helt forskellige principper end nonliving systemer. Desuden blev det antaget, at de komponenter, der udgjorde levende systemer, ikke kunne fremstilles af nonliving-komponenter. Denne tro blev bredt afholdt i det 19. århundrede og blev brugt til at forklare, hvorfor mange levende systemer syntes uforståelige i forhold til nonliving systemer.
Den tyske videnskabsmand Friedrich Wohler ændrede dog det. Wohler var allerede kendt for sin isolering af rent aluminium i 1825 og forsøgte at syntetisere ammoniumcyanat i 1828. Men da han reagerede sølvcyanat og ammoniumchlorid i et forsøg på at producere ammoniumcyanatet, producerede han i stedet hvide krystaller. Han identificerede senere stoffet som urinstof.
Urea var blevet isoleret i 1773 af den franske kemiker Hilaire-Marin Rouelle. Dette betød, at Wohler netop havde syntetiseret en organisk forbindelse, der afviste en af de grundlæggende principper for vitalisme. Wohlers arbejde ville fortsætte med at lægge fundamentet for organisk kemi.
5 PCR
Polymerasekædereaktion (PCR) er langt den mest komplicerede reaktion på denne liste, men potentielt den mest nyttige og spændende. PCR blev opfundet i 1983 af Kary Mullis, der til sidst vandt en nobelpris for sit arbejde.
Processen virker ved at opvarme DNA, så det adskilles i to enkelt tråde. (DNA er dobbeltstrenget.) Derefter kan primere bindes til de enkelte DNA-tråde. Enzymer, der kaldes DNA-polymeraser, vedhæftes på primerstederne og replikerer resten af DNA-streng. Denne proces kan gentages mange gange, idet hver iteration fordobler antallet af nøjagtige DNA-kopier.
Evnen til at replikere DNA åbnede døre på mange felter. Det tillod retsmedicinske forskere at anvende genetiske teknikker, selvom der kun var en lille mængde genetisk materiale tilbage på forbrydelsesscenen. I medicin er det nyttigt at hjælpe med at identificere årsagen til infektioner. I forskning var det en væsentlig teknik, der blev brugt under sekvenseringen af det humane genom.
Ud over disse er det nu en allestedsnærværende teknik i biologi og biokemi laboratorier over hele verden.
4 fedthydrering
Har du en krukke Crisco i dit spisekammer? Ville det overraske dig, hvis jeg fortalte dig, at Crisco var resultatet af en af verdens mest revolutionerende fremskridt inden for fødevareteknologi?
Det hele begynder med forskellen mellem animalsk fedt og plantefedt. Fedt i dyr har tendens til at være mættet, hvilket betyder at alt kulstof i fedtet er bundet til det maksimale antal atomer. Fedtstoffer i planter har tendens til at være umættede, hvilket betyder, at noget af kulstofet i disse fedtstoffer ikke var bundet til det maksimale antal atomer.
I 1902 udviklede Wilhelm Normann en proces, der gjorde det muligt at tilføje hydrogen til umættede fedtstoffer, hvilket ville gøre dem til mættede fedtstoffer eller i det mindste mere stærkt mættede fedtstoffer. I 1909 købte Procter & Gamble Normanns patent. To år senere udgav de Crisco, en forkortelse lavet hovedsageligt af hydrogeneret bomuldsfrøolie, som var billigere end standard svinefedt.
Det var dog kun begyndelsen. I 1979 var ca. 60 procent af alle fedtstoffer, der var forbrugt i USA, hydrogeneret. Men der var en mørk side til hydrogenering. Naturlige umættede fedtsyrer forekommer næsten udelukkende i cis-konfigurationen, hvilket får fedtmolekylerne til at bøje eller knække i dem og ikke være i stand til at passe sammen også. Dette er grunden til, at de fleste umættede fedtstoffer er væsker.
Under hydrogenering optager nogle umættede fedtsyrer imidlertid trans-konfigurationen. Fra 1990'erne viste undersøgelsen, at et højt forbrug af transfedt resulterede i negative helbredseffekter. Kort tid derefter begyndte FDA at regulere mængden af transfedt i fødevarer, og nogle lokaliteter forbød endda disse stoffer. Dette førte til den endelige nedgang af hydrogenerede fedtstoffer.
3 ozon destruktion
Mekanisk køleteknologi havde været i almindelig brug siden mindst 1870'erne. Der var imidlertid et stort problem, der begrænsede teknologien på det tidspunkt. De fleste kølemidler (stoffer, der bruges til at flytte varmen indefra i køleskaberne til udefra) var enten meget giftige eller meget brandfarlige. Desværre var det forholdsvis almindeligt for folk at dø på grund af lækager.
For at løse dette problem kom Frigidaire, Dupont og General Motors sammen for at finde et kølemiddel, der ville være meget sikrere. Resultatet var Freon, en blanding af en klasse af kemikalier kaldet chlorfluorcarboner (CFC'er). Freon var så sikker, at dens opfinder lige indåndede det og derefter åndede det ud på et stearinlys foran American Chemical Society.
CFC'er havde imidlertid et ukendt problem på det tidspunkt. Med så mange køleskabe, der bruger CFC'er, nåede kemikaliet hurtigt betydelige niveauer i atmosfæren.Når de udsættes for ultraviolet lys i den øvre atmosfære, vil CFC'er ofte afgive et chloratom.
Klor er meget reaktivt og katalyserer nedbrydning af ozon (O3) til molekylært oxygen (O2). Da katalysatorer kun fremskynder reaktionshastigheden og ikke forbruges i reaktionen, kan et molekyle af en CFC føre til ødelæggelsen af tusinder eller endog millioner af ozonmolekyler, hvilket forårsager stor udtømning af ozonlaget.
I dag er CFC'er stærkt reguleret af Montreal-protokollen og anvendes ikke længere som kølemiddel. De er blevet erstattet af en lignende klasse af forbindelser kendt som hydrofluorcarboner (HFC'er). Mens HFC'er også har ulemper (de er en meget stærk drivhusgas), har der ikke været nyudviklede kølemidler, der er både ugiftige og ubrændbare.
2 vand med carbondioxid
Kuldioxid er måske bedst kendt for sin rolle som drivhusgas. Da niveauet af kuldioxid i atmosfæren steg, gjorde det også gennemsnitlige globale temperaturer. Der er dog en anden mørk side til kuldioxid, og det sker hver dag, når vi drikker sodavand.
Kuldioxid reagerer reversibelt med vand til dannelse af kulsyre. Nogle af denne kulsyre brydes derefter ned i bicarbonat og derefter carbonaterioner, mens frigivelse af H + (frigivelse af H + er den afgørende egenskab for syrer kaldet Bronsted-Lowry syrer). Denne syre er en del af den skarpe fornemmelse af en frisk sodavand.
Imidlertid kan kuldioxid i atmosfæren reagere på samme måde med vandet i havet. Faktisk absorberer havet ca. en fjerdedel af kuldioxid frigivet hvert år.
Som følge heraf er pH-værdien af overfladens havvande faldet med ca. 0,1 pH-enheder siden begyndelsen af den industrielle revolution, hvilket er en næsten 30 procent stigning i surhedsgrad. Selv om denne forøgelse af surhed fordeler nogle organismer som alger og seagrasser, er det skadeligt for mange organismer som østers, muslinger, skaldyr og koraller.
En FN-rapport anslog, at havsyring kunne koste så meget som $ 1 billioner inden 2100.
1 forsæbning
Det er ret almindeligt kendt, at olie og vand ikke blandes. Årsagen til dette har at gøre med et koncept kaldet polaritet. Enkelt sagt er vandmolekyler polære og oliemolekyler er ikke. Da vandmolekyler er polære, er det mere gunstigt for dem at være ved siden af hinanden end ved siden af et ikke-polært oliemolekyle. Men som enhver kok ved det kan det være et problem, når det kommer til rengøring af opvasken. Fedtet vil ikke blandes med vandet og forbliver på fadet.
Svaret er sæbe. Sæbe molekyler har både polære og ikke-polære dele til dem. Den polære del blandes med vandet, mens den ikke-polare del blandes med olien, hvilket gør det muligt for olien at danne små dråber i vandet, der lettere fjernes.
Reaktionen anvendt til at skabe sæbe er forsæbningsreaktionen. Oprindeligt blev sæbe fremstillet ved opvarmning af salt, aske og animalske fedtstoffer sammen i vand. De første kendte sæbe blev fremstillet ved hjælp af denne proces i Babylon i 2800 f.Kr. I dag fremstilles sæbe ved at reagere enten natriumhydroxid eller kaliumhydroxid med fedtsyrer (som er afledt af fedtmolekyler).
Men til andre formål end personlig hygiejne er sæbe i vid udstrækning blevet erstattet af vaskemidler. Disse rengøringsmidler svarer til sæber, men er sædvanligvis afledt af petrokemikalier og har flere fordele i forhold til sæber. De har tendens til at vare længere uden at nedbryde. De har også en tendens til at være mere opløselige i koldt vand eller hårdt vand (vand, der har et relativt højt calciumindhold), hvilket betyder, at vi ikke er så tilbøjelige til at se den grimme sæbskum.