1.1 Efnafræði í samhengi

Í gegnum mannkynssöguna hefur fólk reynt að breyta efnum til gagns í daglegu lífi. Forfeður okkar á steinöld tálguðu tinnu í verkfæri og skáru út styttur og leikföng úr viði. Þessar athafnir fólu í sér að breyta lögun efnis án þess að breyta efninu sjálfu. En eftir því sem þekking okkar jókst fóru menn einnig að breyta samsetningu efnanna, leir var breytt í leirmuni, skinn voru sútuð til að búa til flíkur, kopargrýti var breytt í verkfæri og vopn og korn var notað til að búa til brauð.

Segja má að menn hafi farið að nýta sér efnafræði þegar þeir lærðu að stjórna eldi og nota hann til að elda, búa til leirmuni og bræða málma. Í framhaldi af því fóru þeir að að skilja og nýta ákveðna hluta efnis. Ýmis lyf eins og aloe, myrra og ópíum voru einangruð úr plöntum. Litarefni, eins og indígó og týrusarpurpuri, voru unnin úr plöntu- og dýraefni. Málmum var blandað saman til að búa til málmblöndur. Til dæmis var kopar 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 saman 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 f.Kr. ræddu grískir heimspekingar um kerfi þar sem vatn var grundvöllur alls. Þú gætir hafa heyrt grísku tilgátuna um að efni samanstandi af fjórum frumefnum: jörð, lofti, eldi og vatni. Smám saman runnu saman í eitt efnafræðileg tækni og heimspekilegar vangaveltur sem dreifðust með gullgerðarmönnum frá Egyptalandi, Kína og austurhluta Miðjarðarhafs til annarra landa. Þeir voru þekktir fyrir að reyna að að breyta „grunnmálmum“ eins og blýi í „eðalmálma“ eins og gull og búa til lífselixíra til að lækna sjúkdóma og lengja líf (Mynd 1.2).

A sketch depicts 4 people stirring and handling chemicals. The chemicals are held in a variety of barrels and large cylinders. Several of the containers are being heated over burning embers. A large stove in the laboratory is filled with burning embers. There is also a large chest in the corner that is producing steam. — Mynd 1.2 (a) Þessi mynd sýnir verkstæði gullgerðarmanns um 1580. Þrátt fyrir að gullgerðarlist hafi lagt nokkuð af mörkum til meðhöndlunar efnis var hún ekki vísindaleg á mælikvarða nútímans. (b) Þótt búnaðurinn sem Alma Levant Hayden notaði á þessari mynd frá 1952 virðist kannski ekki jafn fágaður og sá sem finna má á rannsóknarstofu í dag, voru aðferðir hennar mjög kerfisbundnar og vandlega skráðar. Hayden, sem var deildarstjóri hjá Matvæla- og lyfjastofnun Bandaríkjanna (FDA) og er frægust fyrir að afhjúpa krabbameinslyf sem hafði verið markaðssett af mikilli ákefð, væri ekkert annað en gagnslaus lausn af algengum efnum. (heimild a: Chemical Heritage Foundation; b: NIH History Office)

Frá gullgerðarlistinni þróuðust vísindin með tímanum og leiddu af sér nútíma efnafræði: einangrun lyfja úr náttúrulegum uppsprettum, svo sem plöntum og dýrum. Þótt mörg efnanna sem voru einangruð eða unnin úr þessum náttúrulegu uppsprettum hafi verið mikilvæg við meðferð sjúkdóma, voru mörg þeirra af skornum skammti. Til dæmis varð prógesterón, sem er mikilvægt fyrir heilsu kvenna, fáanlegt sem lyf árið 1935, en dýrauppsprettur þess gáfu af sér afar lítið magn, sem takmarkaði framboð þess og jók kostnað. Á fimmta áratugnum var á sama hátt farið að nota kortisón til að meðhöndla liðagigt og aðra kvilla og meiðsli, en til að framleiða það þurfti 36 þrepa ferli. Efnafræðingurinn Percy Lavon Julian fann aðra uppsprettu kortisóns en það voru sojabaunir. Áður hafði Julian þróað aðferð til að einangra sojaprótein, sem var meðal annars notað við slökkvistörf. Hann einbeitti sér að því að nota steról úr sojabaunum – efni sem aðallega eru notuð í plöntuhimnur – og gat fljótlega farið að framleiða úr þeim prógesterón og síðar testósterón og önnur hormón. Hann þróaði síðar ferli til að gera slíkt hið sama fyrir kortisón og lagði grunninn að nútíma lyfjahönnun. Þar sem sojabaunir og svipaðar plöntuuppsprettur voru afar gjöfular urðu lyfin fljótlega aðgengileg og björguðu mörgum mannslífum.

Efnafræði: Miðlæg vísindi

Efnafræði er stundum kölluð „miðlæg vísindi“ vegna tengsla hennar við fjölmargar aðrar STEM-greinar (STEM stendur fyrir vísindi, tækni, verkfræði og stærðfræði). Efnafræði og tungumál efnafræðinga gegna mikilvægu hlutverki í líffræði, læknisfræði, efnisfræði, réttarvísindum, umhverfisvísindum og mörgum öðrum greinum (Mynd 1.3). Grundvallarreglur eðlisfræðinnar eru nauðsynlegar til að skilja marga þætti efnafræðinnar og þessar greinar og margar undirgreinar þeirra á borð við eðlisefnafræði og kjarnaefnafræði skarast mikið. Stærðfræði, tölvunarfræði og upplýsingafræði gefa okkur mikilvæg verkfæri til að reikna út, túlka, lýsa og almennt skilja heim efnafræðinnar. Líffræði og efnafræði mætast í lífefnafræði, sem er mikilvæg til að skilja þá mörgu flóknu þætti og ferla sem halda lífverum (eins og okkur) á lífi. Efnaverkfræði, efnisfræði og nanótækni sameina lögmál efnafræðinnar og niðurstöður athugana til að framleiða nytsamleg efni, allt frá bensíni til vefnaðarvöru og rafeindatækja. Landbúnaður, matvælafræði, dýralækningar, bruggun og víngerð hjálpa til við að sjá íbúum heimsins fyrir næringu í formi matar og drykkjar. Læknisfræði, lyfjafræði, líftækni og grasafræði bera kennsl á og framleiða efni sem hjálpa okkur að halda heilsu. Umhverfisvísindi, jarðfræði, haffræði og loftslagsvísindi nýta margar efnafræðilegar hugmyndir til að hjálpa okkur að skilja og vernda efnisheiminn betur. Efnafræðilegar hugmyndir eru notaðar til að skilja alheiminn í stjörnufræði og heimsfræði.

A flowchart shows a box containing chemistry at its center. Chemistry is connected to geochemistry, nuclear chemistry, chemical physics, nanoscience and nanotechnology, materials science, chemical engineering, biochemistry and molecular biology, environmental science, agriculture, and mathematics. Each of these disciplines is further connected to other related fields including medicine, biology, food science, geology earth sciences, toxicology, physics, and computer science. — Mynd 1.3 Þekking á efnafræði er lykilatriði til að skilja fjölmargar aðrar vísindagreinar. Þessi skýringarmynd sýnir aðeins nokkur af tengslum efnafræði og annarra greina.

Hvaða breytingar á efni eiga sér stað í daglegu lífi? Melting og upptaka fæðu, nýmyndun fjölliða sem notaðar eru til að búa til fatnað, ílát, eldunaráhöld og greiðslukort og hreinsun hráolíu í bensín og aðrar vörur eru aðeins nokkur dæmi. Í þessari bók muntu uppgötva mörg mismunandi dæmi um breytingar á samsetningu og byggingu efnis, hvernig á að flokka þessar breytingar og hvernig þær áttu sér stað, orsakir þeirra, orkubreytingarnar sem fylgja þeim og þau lögmál og reglur sem eiga við. Þegar þú lærir um þessa hluti munt þú læra um fræðigreinina efnafræði (e. chemistry), sem fjallar um samsetningu, eiginleika og víxlverkanir efnis. Efnafræði einskorðast ekki við kennslubækur eða rannsóknarstofur. Hún á sér stað hvenær sem einhver tekur þátt í breytingum á efni eða aðstæðum sem geta leitt til slíkra breytinga.

Vísindaleg aðferðafræði

Efnafræði er vísindagrein sem byggir á athugunum og tilraunum. Að fást við efnafræði felur í sér að reyna að svara spurningum og útskýra athuganir með tilliti til lögmála og kenninga efnafræðinnar og nota aðferðir sem eru viðurkenndar af vísindasamfélaginu. Það er engin ein leið til að svara spurningu eða útskýra athugun, en það er einn þáttur sem er sameiginlegur öllum aðferðum. Hver og ein notar þekkingu sem byggir á tilraunum sem hægt er að endurtaka til að sannreyna niðurstöðurnar. Sumar leiðir fela í sér tilgátu (e. hypothesis), sem er bráðabirgðaútskýring á athugunum sem virkar sem leiðarvísir við söfnun og yfirferð upplýsinga. 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 er tekin saman í lögmálum. Lögmál (e. laws) vísindanna draga saman niðurstöður gríðarlegs fjölda tilrauna og lýsa eða spá fyrir um einhvern þátt náttúrunnar. Ef slík tilgáta reynist geta útskýrt mikið magn tilraunagagna getur hún orðið að kenningu. Vísindalegar kenningar (e. theories) eru vel rökstuddar, yfirgripsmiklar og prófanlegar útskýringar á tilteknum þáttum náttúrunnar. Kenningar eru viðurkenndar vegna þess að þær veita fullnægjandi útskýringar, en hægt er að breyta þeim ef ný gögn verða tiltæk. Sú leið uppgötvana sem liggur frá spurningu og athugun til lögmáls eða tilgátu til kenningar, ásamt sannprófun tilgátu með tilraunum og nauðsynlegum breytingum á kenningunni, er kölluð vísindaleg aðferðafræði (e. scientific method) (Mynd 1.4).

Mynd 1.4 Vísindaleg aðferðafræði fylgir ferli sem líkist því sem sýnt er á þessari skýringarmynd. Allir lykilþættirnir eru sýndir, í nokkurn veginn réttri röð. Vísindalegar framfarir eru sjaldan bein braut. Þær krefjast opinna rannsókna og endurskoðun spurninga og hugmynda til að bregðast við niðurstöðum.

Svið efnafræðinnar

Efnafræðingar rannsaka og lýsa hegðun efnis og orku á þremur mismunandi sviðum: stórsæju, smásæju og táknrænu. Þessi svið bjóða upp á mismunandi leiðir til að íhuga og lýsa efnafræðilegri hegðun.

Makró er grískt orð sem þýðir „stórt“. Stórsæja sviðið (e. macroscopic domain) er okkur kunnuglegt. Það er heimur hversdagslegra hluta sem eru nógu stórir til að við skynjum þá beint með sjón eða snertingu. Í daglegu lífi felur þetta í sér matinn sem þú borðar og goluna sem þú finnur á andlitinu. Stórsæja sviðið nær yfir efnafræði daglegs lífs og rannsóknarstofunnar, þar sem við fylgjumst með og mælum eðlis- og efnaeiginleika eins og eðlismassa, leysni og eldfimi.

Míkró kemur úr grísku og þýðir „lítið“. Hið smásæja svið (e. microscopic domain) efnafræðinnar þurfum við oft að sjá fyrir okkur í huganum. Sumt er reyndar sýnilegt í venjulegum ljóssmásjám, til dæmis margar frumur í lífverum. Hægt er að sjá enn smærri einingar á borð við sameindir og atóm í fullkomnari tækjum (sjá Mynd 1.5 (b)).

Hins vegar eru flest viðfangsefni hins smásæja sviðs efnafræðinnar of lítil til að sjást jafnvel með fullkomnustu smásjám og er aðeins hægt að ímynda sér þau. Aðrir þættir smásæja sviðsins eru jónir og rafeindir, róteindir og nifteindir og efnatengi, sem öll eru allt of lítil til að sjá.

Táknræna sviðið (e. symbolic domain) nær yfir sérhæft tungumál sem notað er til að tákna þætti stórsæja og smásæja sviðsins. Efnatákn (eins og þau sem notuð eru í lotukerfinu), efnaformúlur og efnajöfnur eru dæmi um slík tákn, ásamt gröfum, teikningum og útreikningum. Þessi tákn gegna mikilvægu hlutverki í efnafræði vegna þess að þau hjálpa til við að túlka hegðun þess sem við sjáum (stórsæja sviðsins) með tilliti til þess sem við sjáum ekki (smásæja sviðsins). Ein af áskorunum nemenda sem læra efnafræði er að gera sér grein fyrir því að sömu táknin geta táknað mismunandi hluti á stórsæja og smásæja sviðinu og einn af þeim eiginleikum sem gerir efnafræði heillandi er notkun sviðs sem verður að ímynda sér til að útskýra hegðun á sviði sem hægt er að fylgjast með.

Gagnleg leið til að skilja þessi þrjú svið er með hinu lífsnauðsynlega efni sem er allt í kringum okkur, vatni. Að vatn sé vökvi við meðalhitastig, storkni og myndar fast efni við lægra hitastig og sjóði og myndar gas við hærra hitastig (Mynd 1.5) eru stórsæjar athuganir. En sumir eiginleikar vatns falla undir smásæja sviðið – það sem ekki er hægt að sjá með berum augum. Þegar við lýsum vatni sem samsettu úr tveimur vetnisatómum og einu súrefnisatómi og útskýrum storknun og suðu með tilliti til aðdráttarkrafta milli þessara sameinda, erum við á smásæja sviðinu. Formúlan H₂O, sem getur lýst vatni á annað hvort stórsæju eða smásæju stigi, er dæmi um táknræna sviðið. Skammstafanirnar (g) fyrir gas, (s) fyrir fast efni og (l) fyrir vökva eru einnig táknrænar.

Námsmarkmið