شيمي مطالعه? ساختار، خواص، ترکيبات، و تغيير شکل مواد است. اين علم مربوط مي‌شود به عناصر شيميايي و ترکيبات شيميايي که شامل اتمها، مولکولها، و برهم‌کنش ميان آنهاست.
پيدايش دانش شيمي (Chemistry science)
انسان از بدو خلقت که بناچار پيوسته با اشياي محيط زيست خود سرو کار پيدا کرد، با شناخت تدريجي نيازهاي زندگي خويش و کسب اطلاعات بيشتري درباره خواص آنها ، آموخت که براي ادامه حيات خود به ناچار بايد از آنها استفاده کند. با گذشت زمان دريافت که براي استفاده هر چه بيشتر و بهتر از اين مواد ، بايد در وضعيت و کيفيت آنها تغييراتي وارد کند. اين کار با استفاده از گرما و بويژه کشف آتش بصورت عملي در آمده بود.
آغاز دانش بشري را در واقع مي‌توان همان آغاز استفاده از آتش دانست. زيرا گرم کردن و پختن مواد و … ، تغييراتي شيميايي مي‌باشد و اين خود نشان دهنده اين واقعيت است که شيمي ، علمي است که در ارتباط با اولين و حياتي‌ترين نيازهاي جامعه بشري بوجود آمده و براي برآورده کردن هر چه بيشتر اين نيازها که روز به روز تنوع حاصل مي‌کرد، توسعه و تکام يافته است.
از آنجايي که شيمي ، علم تجربي است و بشر اوليه قبل از هر نوع تفکر و نظريه پردازي ساختار و چگونگي پيدايش مواد موجود در محيط زيست خود ، در انديشه حفظ خود از سرما و آزمايش‌هاي مربوط به گرما ، رفع گرسنگي و احتمالا دفاع از هستي خويش بوده و در راه دسترسي به چگونگي تغيير و تبديل آنها به منظور استفاده هر چه بهتر و بيشتر از آنها قدم برمي‌داشت، بر همين اساس بود که بخش شيمي نظري خيلي ديرتر از بخش کاربردي آن آغاز شد و پيشرفت کرد.
واژه شيمي خود داستان درازي دارد. ريشه اين نام در واژه کيمياست. خاستگاه واژه کيميا را برخي از يوناني دانسته‌اند و چيستي کار کيمياگري دگرساختن مس به طلا بود. اين واژه و داستان دانش شگفت انگيز پشت آن به همراه دانشش به عربي وارد شد و اروپاييان با اين واژه و دانش آن از راه عرب‌ها آشنا شدند و اين دانش را با نام alchemy شناختند. آنگاه آن را در ميان خود پروردند تا در سده‌هاي نزديک به ريخت فرانسه شيمي به زبان ما بازگشت. دانش شيمي به دو گرايش شيمي محض و شيمي کاربردي تقسيم مي‌شود.
نگاه گذرا
تيوري اتمي پايه و اساس علم شيمي است. اين تيوري بيان مي‌دارد که تمام مواد از واحدهاي بسيار کوچکي به نام اتم تشکيل شده‌اند. يکي از اصول و قوانيني که در مطرح شدن شيمي به عنوان يک علم تأثير به‌سزايي داشته، اصل بقاي جرم است. اين قانون بيان ميکند که در طول انجام يک واکنش شيميايي معمولي، مقدار ماده تغيير نمي‌کند. (امروزه فيزيک مدرن ثابت کرده که در واقع اين انرژي است که بدون تغيير مي‌ماند و همچنين انرژي و جرم با يکديگر رابطه دارند.)
اين مطلب به طور ساده به اين معني است که اگر ده‌هزار اتم داشته باشيم و مقدار زيادي واکنش شيميايي انجام پذيرد، در پايان ما همچنان بطور دقيق ده‌هزار اتم خواهيم داشت. اگر انرژي از دست رفته يا به‌دست‌آمده را مد نظر قرار دهيم، مقدار جرم نيز تغيير نمي‌کند. شيمي کنش و واکنش ميان اتمها را به تنهايي يا در بيشتر موارد به‌همراه ديگر اتمها و به‌صورت يون يا مولکول (ترکيب) بررسي ميکند.
اين اتمها اغلب با اتمهاي ديگر واکنش‌هايي را انجام ميدهند. (براي نمونه زماني‌که آتش چوب را مي‌سوزاند واکنشي است بين اتمهاي اکسيژن موجود در هوا و اتمهاي کربن و هيدروژن درون چوب). گاهي نيز نور بر آنها(واکنش بين اتمها) تأثير مي‌گذارد(فتوکاتاليست). (يک عکس بر اثر دگرگوني‌هايي که نور بر روي مواد شيميايي فيلم عکاسي ايجاد ميکند شکل مي‌گيرد.)
يکي از يافته‌هاي بنيادين و جالب دانش شيمي اين بوده‌است که اتمها روي‌هم‌رفته هميشه به نسبت برابر با يکديگر ترکيب مي‌شوند. سيليس داراي ساختماني است که نسبت اتمهاي سيليسيوم به اکسيژن در آن يک به دو است. امروزه ثابت شده‌است که استثناهايي در زمينه? قانون نسبت‌هاي معين وجود دارد(مواد غير استوکيومتري).
يکي ديگر از يافته‌هاي کليدي شيمي اين بود که زماني که يک واکنش شيميايي مشخص رخ مي‌دهد، مقدار انرژي که بدست مي‌آيد يا از دست مي‌رود همواره يکسان است. اين امر ما را به مفاهيم مهمي مانند تعادل ، ترموديناميک مي‌رساند.
شيمي فيزيک بر پايه? فيزيک پيشرفته (مدرن) بنا شده‌است. اصولاً مي‌توان تمام سيستمهاي شيميايي را با استفاده از تيوري مکانيک کوانتوم شرح داد. اين تيوري از لحاظ رياضي پيچيده بوده و عميقاً شهودي است. به هر حال در عمل و بطور واقعي تنها بررسي سيستمهاي ساده? شيميايي قابل بررسي با مفاهيم مکانيکي کوانتوم امکان‌پذير است و در اکثر مواقع بايد از تقريب استفاده کرد(مانند تيوري کاري دانسيته). بنابراين درک کامل مکانيک کوانتوم براي تمامي مباحث شيمي کاربرد ندارد؛ زيرا نتايج مهم اين تيوري (بخصوص اربيتال اتمي) با استفاده از مفاهيم ساده‌تري قابل درک و به‌کارگيري هستند.
با اينکه در بسياري موارد ممکن است مکانيک کوانتوم ناديده گرفته شود، مفهوم اساسي که پشت آن است، يعني کوانتومي کردن انرژي، چنين نيست. شيميدانها براي بکارگيري کليه روشهاي طيف نمايي به آثار و نتايج کوانتوم وابسته‌اند، هرچند که ممکن است بسياري از آنها از اين امر آگاه نباشند. علم فيزيک هم ممکن است مورد بي توجهي واقع شود، اما به هر حال برآيند نهايي آن (مانند رزونانس مغناطيسي هسته‌اي) پژوهيده و مطالعه مي‌شود.
يکي ديگر از تيوري‌هاي اصلي فيزيک مدرن که نبايد ناديده گرفته شود نظريه نسبيت است. اين نظريه که از ديدگاه رياضي پيچيده‌است، شرح کامل فيزيکي علم شيمي است. خوشبختانه مفاهيم نسبيتي تنها در برخي از محاسبات خيلي دقيق ساختمان هسته، به‌ويژه در عناصر سنگين‌تر، کاربرد دارند و در عمل تقريباً با شيمي پيوند ندارند.
طبقه‌بندي علم شيمي
شيمي محض يا شيمي نظري
درباره شناخت خواص و ساختار و ارتباط خواص و ساختار مواد و قوانين مربوط به آنها بحث ميکند.
شيمي عملي يا شيمي کاربردي
راههاي تهيه ، استخراج مواد خالص از منابع طبيعي ، تبديل مواد به يکديگر و يا سنتز آنها را مورد بررسي قرار مي‌دهد.
دامنه علم شيمي
بدين ترتيب دامنه علم شيمي در زمينه‌هاي نظري و عملي فوق‌العاده گسترش حاصل کرد و نقشهاي حساس را در زندگي انسان به عهده گرفت. بطوري که امروزه ميزان برخورداري هر جامعه از تکنولوژي شيميايي ، معيار قدرت و ثروت و رفاه آن جامعه محسوب شده و بصورت جزيي از فلسفه زندگي در آمده است.
بخش‌هاي اصلي دانش شيمي عبارت‌اند از:
? شيمي تجزيه، که به تعيين ترکيبات مواد و اجزاي تشکيل دهنده آنها ميپردازد.
? شيمي آلي، که به مطالعه? ترکيبات کربن‌دار، غير از ترکيباتي چون دو اکسيد کربن (دي اکسيد کربن) ميپردازد.
? شيمي معدني، که به اکثريت عناصري که در شيمي آلي روي آنها تاکيد نشده و برخي خواص مولکولها ميپردازد.
? شيمي فيزيک، که پايه و اساس کليه? شاخه‌هاي ديگر را تشکيل مي‌دهد، و شامل ويژگيهاي فيزيکي مواد و ابزار تيوري بررسي آنهاست.
ديگر رشته‌هاي مطالعاتي و شاخه‌هاي تخصصي که با شيمي پيوند دارند عبارت‌اند از: علم مواد، مهندسي شيمي، شيمي بسپار، شيمي محيط زيست و داروسازي.
شاخه‌هاي شيمي
? شيمي آلي
? شيمي معدني
? شيمي تجزيه
? شيمي فيزيک
? سينتيک شيميايي
? تعادل شيميايي
? اسيدها و بازها
? الکترو شيمي
? زيست‌شيمي (بيوشيمي)
? راديو شيمي
ريشه‌يابي
کلمه شيمي (انگليسي:chemistry) در اصل از کلمه يوناني کيمِيا (??????) به معناي «به هم فشردن»، «با هم ساختن»، «جوش دادن» و «آلياژ» و … گرفته شده‌است. همينطور مي‌تواند از کلمه فارسي کيميا به معني «طلا» و کلمه فرانسوي alkemie يا عربي الکيميا (هنر دگرگوني) گرفته شده باشد.
علم شيمي
شاخه‌اي از علوم تجربي است که از يک سو درباره شناخت خواص ، ساختار و ارتباط بين خواص و ساختار مواد و قوانين مربوط به آنها بحث ميکند. از سوي ديگر ، راههاي تهيه ، استخراج مواد خالص از منابع طبيعي ، تبديل مواد به يکديگر و يا سنتز آنها به روشي که به صرفه مقرون باشد، مورد بحث و بررسي قرار ميدهند. اين علم با ترکيب و ساختار و نيروهايي که اين ساختارها را برپا نگه داشته است، سروکار دارد.
شرح تفصيلي درباره چگونگي واکنشها و سرعت پيشرفت آنها ، شرايط لازم براي فراهم آوردن تغييرات مطلوب و جلوگيري از تغييرات نامطلوب ، تغييرات انرژي که با واکنشهاي شيميايي همراه است، سنتز موادي که در طبيعت صورت مي‌گيرد و آنهايي که مشابه طبيعي ندارند و بالاخره روابط کمي جرمي بين مواد در تغييرات شيميايي در علم شيمي مورد مطالعه قرار مي‌گيرد.
سير تکامي و رشد
اولين نظريه درباره ساختار مواد ، حدود 400 سال قبل از ميلاد توسط فلاسفه يونان بيان شد، در صورتي که شاخه کاربردي شيمي چندين هزار سال قبل از ميلاد رواج داشت و قابليت توجيه پيدا کرده بود. به چند مورد اشاره مي‌کنيم.
? طلا ، اولين فلزي بود که توسط بشر کشف شد و نقره پس از طلا کشف شد و در زندگي بشر کاربرد پيدا کرد.
مس سومين فلزي بود که کشف شد. سرب ، قلع و جيوه بعد از مس و قبل از آهن کشف شدند.
آهن به علت دشواريهايي که در استخراج آن وجود داشت، ديرتر از فلزات فوق کشف و مورد استفاده قرار گرفت.
? ساختن شيشه رنگي (سبز و آبي) و شيشه بي‌رنگ در مصر و بين‌النهرين و در کشورهاي مجاور درياي اژه و درياي سياه و تهيه بطري‌هاي شيشه‌اي در بين‌النهرين متداول شد.
? کوزه‌گري ، سفالگري و استفاده از لوحه‌هاي سفالي و تهيه لعاب و لعاب دادن ظروف سفالي در مصر و بين‌النهرين متداول شد.
? تهيه پارچه‌هاي نخي ، ابريشمي و پشمي و رنگرزي آنها با رنگهاي نيلي ارغواني و قرمز و … رواج يافت. رنگ قرمز از حشره‌اي به نام قرمزدانه ، رنگ نيلي از گياهي بنام اينديگو و رنگ بنفش از جانور دريايي بدست آمد.
? دباغي پوست با استفاده از زاجها ، تهيه الکل ، سرکه ، روغن ، موميا و استخراج نمک از آب دريا انجام گرفت.
شيمي تجزيه
هدف يک تجزيه شيميايي ، فراهم آوردن اطلاعاتي درباره ترکيب نمونه‌اي از يک ماده است. در بعضي موارد اطلاعات کيفي در مورد حضور يا عدم حضور يک يا چند جزء در نمونه کافي است. در مواردي ديگر ، اطلاعات کمي مورد نظر است. بدون در نظر گرفتن هدف نهايي ، اطلاعات مورد نياز در انتها ، توسط اندازه گيري يکي از خواص فيزيکي بدست مي‌آيند که اين خاصيت بطور مشخص به جزء يا اجزاء سازنده مورد نظر مربوط است. زمينه‌هاي تاريخي تجريه کيفي به ابتکار «پروفسور رونالد بلچر» که به نارساييهاي متعدد سيستمهاي تجزيه کيفي معدني موجود پي برده و تصميم به اصلاح اين سيستمها از طريق تحقيقات تجربي و به بحث گذاشتن موضوع در يک گروه از آناليستهاي باتجربه گرفته بود، موسسه MAQA (موسسه تجزيه کيفي ميدلندز) تاسيس شد. هدفهاي موسسه عبارت بود از تهيه طرحهايي براي توصيه در:
? بررسي سيستماتيک کاتيونهاي معمولي مبتني بر روشهاي کلاسيک جا افتاده.
? بررسي آنيونها.
? بررسي عناصر غير معمول.
? بررسي نامحلولها.
طرح MAQA يکي از سلسله سيستمهاي تجزيه کيفي هدف است که برخي از آنها به قرن هيجدهم بر‌مي‌گردد. طرحهاي قديمي‌تر از بعضي جهات جالب‌اند، به اين معني که بسياري از جداسازيها و واکنشهاي انتخابي که هنوز هم جاي خود را در اعمال تجزيه کيفي حفظ کرده‌اند، از آنها نشات گرفته است.
نياز مبرم به تشخيص سنگها و مواد معدني مفيد موجب پديد آمدن تجزيه کيفي معدني شد. در نتيجه ، در جاهايي که صنايع پيشرفته استخراج شکوفا مي‌شد، اين هنر رشد سريعي کرد که نمونه بارز آن ، در سوئد بود. بدون آن که حق ساير بنيانگذاران تجزيه را فراموش کرده باشيم، شيميدان سوئدي به نام «توربون برگمن» را ممکن است بتوان بعنوان بنيانگذار تجزيه کيفي سيستماتيک معرفي کرد. رده بندي روشهاي تجزيه‌اي رده بندي روشهاي تجزيه‌اي معمولا بر طبق خاصيتي است که در فرآيند اندازه گيري نهايي مشاهده مي‌شود. در جدول زير فهرستي از مهمترين اين خاصيتها و همچنين نام روشهايي که مبتني بر اين خاصيتها مي‌باشند، ديده مي‌شود.
بر اين نکته توجه داشته باشيم که تا حدود سال 1920 تقريبا تمام تجزيه‌ها براساس دو خاصيت جرم و حجم قرار داشتند. در نتيجه ، روشهاي وزني و حجمي به نام روشهاي کلاسيک تجزيه‌اي شهرت يافته‌اند. بقيه روشها شامل روشهاي دستگاهي است. علاوه بر تاريخ توسعه اين روشها ، جنبه‌هاي معدودي روشهاي دستگاهي را از روشهاي کلاسيک جدا و متمايز مي‌سازند. بعضي از تکنيکهاي دستگاهي حساستر از تکنيکهاي کلاسيک مي‌باشند. ولي بعضيها حساستر نيستند. با ترکيب خاصي از عناصر يا ترکيبات ، يک روش دستگاهي ممکن است بيشتر اختصاصي باشد. در مواردي ديگر ، يک روش حجمي يا وزني ، کمتر در معرض مزاحمت قرار دارد. مشکل است که گفته شود که کداميک از نظر صحت ، راحتي و صرف زمان بر ديگري برتري دارد.
همچنين اين مساله درست نيست که روشهاي دستگاهي ، الزاما دستگاههاي گرانتر يا پيچيده‌تري را بکار مي‌گيرند و در حقيقت ، استفاده از يک ترازوي خودکار نوين در يک تجزيه وزني شامل دستگاه ظريفتر و پيچيده‌تري در مقايسه با بسياري از روشهاي ديگري است که در جدول زير ثبت شده‌اند. روشهاي تجزيه‌اي مبتني بر اندازه گيري خاصيت خاصيت فيزيکي که اندازه گيري مي‌شود. وزني جرم حجمي حجم طيف نورسنجي (اشعه ايکس ، ماوراء بنفش ، مرئي ، IR)؛ رنگ سنجي ؛ طيف بيني اتمي ؛ رزونانس مغناطيسي هسته و رزونانس اسپين الکترون جذب تابش طيف بيني نشري (اشعه ماوراء بنفش ، ايکس ، مرئي)؛ نور سنجي شعله‌اي؛ فلوئورسانس (اشعه ايکس ، فرابنفش و مرئي) ؛ روشهاي راديوشيميايي نشر تابش کورسنجي ، نفلومتري ، طيف بيني رامان پراکندن تابش شکست سنجي و تداخل سنجي شکست تابش روشهاي پراش اشعه ايکس و الکترون پراش تابش قطبش سنجي ، پاشندگي چرخش نوري و دو رنگي نمايي دوراني چرخش تابش پتانسيل سنجي ، پتانسيل سنجي با زمان پتانسيل الکتريکي رسانا سنجي رسانايي الکتريکي پلاروگرافي ، تيتراسيونهاي آمپرسنجي جريان الکتريکي کولن سنجي کميت الکتريسيته طيف سنجي جرمي نسبت جرم به بار روشهاي رسانايي حرارتي و آنتالپي خواص گرمايي روشهاي جداسازي در بيشتر موارد ، تجزيه يک نمونه از ماده ، قبل از اندازه گيري فيزيکي نهايي آن ، ابتدا احتياج به يک يا چند مرحله زير دارد:
نمونه برداري ، براي فراهم کردن نمونه‌اي که ترکيب آن ، نماينده توده ماده باشد.
تهيه و انحلال مقدار معيني از نمونه
جداسازي گونه مورد اندازه گيري از اجزاء سازنده‌اي که در سنجش نهايي مزاحمت ايجاد مي‌کنند.
اين مراحل معمولا بيشتر از خود اندازه گيري نهايي توليد مزاحمت مي‌کنند و خطاهاي بزرگتري را باعث مي‌شوند. روشهاي جداسازي به اين دليل مورد احتياج‌اند که خواص فيزيکي و شيميايي مناسب براي اندازه گيري غلظت معمولا بين چندين عنصر يا ترکيب مشترک است. در بررسي مواد بسيار نزديک و مرتبط به هم ، مشکل جداسازي بيشترين اهميت را مي‌يابد و لذا نياز به تکنيکهايي نظير کروماتوگرافي ، تقطير جزء به جزء، استخراج ناهمسو و يا الکتروليز در پتانسيل کنترل شده دارد. انتخاب روش براي يک مسئله تجزيه‌اي جدول مذکور ، حاکي از اين است که براي شيميداني که با يک مسئله تجزيه‌اي روبرو است، غالبا روشهاي متعددي وجود دارند که وي مي‌تواند يکي از آنها را انتخاب کند. مدت زماني که او بايد براي کار تجزيه صرف کند و کيفيت نتايج حاصل ، بنحوي حساس ، به اين انتخاب بستگي دارد. شيميدان براي اخذ تصميم خود در مورد انتخاب روش ، بايد پيچيدگي ماده مورد تجزيه ، غلظت گونه مورد نظر ، تعداد نمونه‌هايي که بايد تجزيه شوند و دقت مورد نياز را در نظر گيرد. پس از اين ، انتخاب وي به دانش او در مورد اصول اساسي که زير بناي هر يک از اين روشهاي قابل دسترسي است و در نتيجه قدرت و محدوديت اين روشها بستگي خواهد داشت.
دستگاهوري در تجزيه در مفهومي بسيار وسيع ، يک دستگاه که براي تجزيه شيميايي مورد استفاده قرار مي‌گيرد، داده‌هاي کمي توليد نمي‌کند، بلکه در عوض بسادگي اطلاعات شيميايي را به شکلي تبديل ميکند که آسانتر قابل مشاهده است. بنابراين به دستگاه مي‌توان به صورت يک وسيله ارتباطي نگريست. دستگاه اين هدف را در مراحل مختلف زير انجام مي‌دهد:
? توليد يک علامت
? تبديل اين علامت به علامتي با ماهيت متفاوت (تبديل ناميده مي‌شود).
? تقويت علامت تبديل شده
ارائه اين علامت به صورت يک جابجايي بر روي يک صفحه مندرج يا صفحه يک ثبات.
لزومي ندارد که تمام اين مراحل مجموعا در هر دستگاه انجام گيرد. در نتيجه? ظهور اين همه مدارات الکترونيکي در آزمايشگاه ، يک شيميدان امروزي خود را با اين سوال روبرو مي‌بيند که چه مقدار الکترونيک بايد بداند تا بتواند موثرترين استفاده را از وسايل موجود براي تجزيه ، بکند. مهم براي يک شيميدان اين است که قسمت عمده کوشش خود را به اصول شيميايي ، اندازه گيريها و محدوديتها و قوتهاي ذاتي آن معطوف دارد.
شيمي آلي
شيمي آلي بخشي از دانش شيمي است که بررسي هيدروکربن‌ها ميپردازد. به همين دليل به آن شيمي ترکيبات کربن نيز گفته مي‌شود . پسوند «آلي» يادگار روزهايي است که مواد شيميايي را بسته به اين که از چه منبعي به دست مي‌آمدند، به دو دسته معدني و آلي تقسيم مي‌کردند.
مواد معدني آنهايي بودند که از معادن استخراج مي‌شدند و مواد آلي آنهايي که از منابع گياهي يا حيواني يعني از موادي که توسط موجودات زنده توليد مي‌شدند، به دست مي‌آمدند.
در واقع تا پيرامون سال 1850 بسياري از شيميدانان معتقد بودند، که خاستگاه مواد آلي بايد موجودات زنده باشند و در نتيجه اين مواد را هرگز نمي‌توان از مواد معدني سنتز نمود.
موادي که از منابع آلي به دست مي‌آيند، در يک خصوصيت مشترکند: همه آنها داراي عنصر کربن هستند.
حتي پس از آن که مشخص شد اين مواد لزوماً نبايستي از منابع زنده به دست آيند و مي‌توان آنها را در آزمايشگاه سنتز کرد، باز هم مناسبت داشت تا نام آلي براي توصيف آنها و موادي همانند آنها حفظ شود. اين تقسيم‌بندي بين مواد معدني و آلي تا به امروز حفظ شده است.
امروزه اگر چه هنوز بسياري از ترکيبات کربن به آساني از منابع گياهي و جانوري بدست مي‌آيند، وليکن بسياري از آنها نيز سنتز مي‌شوند. از ترکيبات گاهي از مواد معدني مانند کربناتها و سيانيدها سنتز مي‌شوند ولي غالباً از ساير مواد آلي تهيه مي‌گردند.
دو منبع بزرگ مواد آلي که از آنها مواد آلي ساده تأمين مي‌شوند، نفت و ذغال سنگ است. (هر دو اينها از مفهوم قديمي «آلي» بوده و فراورده تجزيه (کافت) گياهان و جانوران هستند). اين ترکيبات ساده به عنوان مصالح ساختماني، در ساختن ترکيبات بزرگتر و پيچيده‌تر مصرف مي‌شوند.
نفت و زغال سنگ سوختهاي فسيلي هستند که در طي هزاران سال بر روي هم انباشته شده وغير قابل جايگزيني هستند. اين مواد — بويژه نفت — جهت رفع نيازهاي انرژي که به طور دايم در حال افزايش است، با سرعت خطرناکي مصرف مي‌گردند. امروزه کمتر از 10? نفت براي ساختن مواد شيميايي مصرف مي‌شود و قسمت اعظم آن براي توليد انرژي سوزانده مي‌شود. خوشبختانه منابع ديگري براي ايجاد نيرو از قبيل منبع خورشيدي، گرماي زمين، باد، امواج، جزر و مد و انرژي هسته‌اي وجود دارد.
اما چگونه مي‌توان منبع ديگري به جاي مواد آلي پيدا نمود؟ البته در نهايت بايد به جايي که سوختهاي سنگواره‌اي از آنجا ناشي مي‌شوند يعني توده زيستي برگشت نمود، اما اين بار به طور مستقيم و بدون دخالت هزاران سال. توده زيستي قابل تجديد است و چنانچه به طور مناسب مصرف شود، تا زماني که ما بر روي اين سياره بتوانيم وجود داشته باشيم آن هم باقي مي‌ماند. در ضمن مي‌گويند که نفت با ارزش‌تر از آن است که سوزانده شود.
چه خصوصيتي در ترکيبات کربن وجود دارد که آنها را از ترکيبات مربوط به صد و چند عنصر ديگر جدول تناوبي متمايز مي‌سازد؟ لااقل قسمتي از اين جواب به نظر مي‌رسد که چنين باشد: تعداد بسيار زيادي از ترکيبات کربن وجود دارند که مولکولهاي آنها مي‌توانند بسيار بزرگ و پيچيده باشد.
تعداد ترکيباتي که داراي کربن هستند چندين برابر بيشتر از تعداد ترکيبات بدون کربن است. اين مواد آلي در خانواده‌هاي مختلف قرار مي‌گيرند، و معمولاً در بين مواد معدني، همتايي ندارند.
مولکولهاي آلي شامل هزاران اتم شناخته شده‌اند، و ترتيب قرار گرفتن اتمها حتي در مولکولهاي نسبتاً کوچک بسيار پيچيده است. يکي از مسايل اصلي در شيمي آلي، آگاهي از طرز قرار گرفتن اتمها در مولکولها و يا تعيين ساختمان ترکيبات است.
راههاي زيادي براي شکستن اين مولکولهاي پيچيده و يا نوآرايي آنها براي ايجاد مولکولهاي جديد وجود دارد؛ روشهاي مختلفي براي اضافه نمودن اتمهاي جديد به اين مولکولها و يا جايگزين نمودن اتمهاي جديد به جاي اتمهاي قديم وجود دارد. بخش کلان شيمي آلي به پژوهش در مورد اين واکنشها اختصاص دارد، يعني تشخيص اين که اين واکنشها کدامند، چگونه انجام مي‌شوند و چگونه مي‌توان از آنها براي سنتز يک ترکيب دلخواه استفاده نمود.
اتمهاي کربن مي‌توانند به ميزاني که براي اتم هيچ عنصر ديگري مقدور نيست، به يکديگر بپيوندند. اتمهاي کربن مي‌توانند زنجيرهايي شامل هزاران اتم و يا حلقه‌هايي با اندازه‌هاي متفاوت ايجاد نمايند؛ زنجيرها و حلقه‌ها مي‌توانند داراي شاخه و پيوندهاي عرضي باشند. به اتمهاي کربن اين زنجيرها و حلقه‌ها، اتمهاي ديگري که عمدتاً هيدروژن و همچنين فلويور، کلر، برم، يد، اکسيژن، نيتروژن، گوگرد، فسفر و ساير اتمهاي گوناگون ميپيوندد.
هر آرايش مختلف از اتمها مربوط به ترکيب متفاوتي است، و هر ترکيب يک رشته ويژگيهاي شيميايي و فيزيکي ويژه خود را دارد. از اين رو غيرمنتظره نيست که امروزه بيشتر از ده ميليون ترکيب شناخته شده کربن وجود داشته باشد و هر سال به اين تعداد نيم ميليون ترکيب تازه افزوده گردد. تعجب‌آور نيست که بررسي اين ترکيبات، رشته ويژه‌اي را در شيمي به خود اختصاص دهد.
شيمي آلي اهميت فوق‌العاده زيادي در تکنولوژي دارد و در واقع، شيمي رنگدانه‌ها و داروها، کاغذ و جوهر، رنگهاي نقاشي و پلاستيکها، بنزين و تايرهاي لاستيکي است؛ همچنين، شيمي غذايي است که مي‌خوريم و لباسي است که مي‌پوشيم.
شيمي آلي شالوده زيست‌شناسي و پزشکي است. ساختمان موجودات زنده، به غير از آب، عمدتاً از مواد آلي ساخته شده‌اند؛ مولکولهاي مورد بحث در زيست‌شناسي مولکولي همان مولکولهاي آلي هستند. زيست‌شناسي در مقياس مولکولي همان شيمي آلي است.
شايد دور از انتظار نباشد که بگوييم ما در عصر کربن زندگي مي‌کنيم. هر روزه، روزنامه‌ها ذهن ما را متوجه ترکيبات کربن نظير کلسترول و چربيهاي اشباع نشده، هورمونها و استروييدها، حشره‌کشها و فرومونها، عوامل سرطانزا و شيمي درماني، DNA و ژنها مي‌نمايند. به خاطر نفت، جنگها به راه افتاده است.
وقوع دو فاجعه بشريت را تهديد ميکند و هر دو ناشي از تجمع ترکيبات کربن در جو است؛ يکي نازک شدن لايه ازون که عمدتاً به واسطه وجود کلروفلويورو کربنها است و ديگري پديده گلخانه که به خاطر حضور متان، کلروفلويور و کربنها و سرآمد همه کربن دي‌اکسيد است.
شايد به همين مناسبت بوده است که مجله Science در سال 1990، الماس را که يکي از فرمهاي آلوتروپي کربن است به عنوان مولکول سال انتخاب کرده است. و مولکول آلوتروپ تازه‌ياب فولرن باکمينستر کربن 60 (buckminsterfullerene-C60) است که هيجان بسياري را در دنياي شيمي ايجاد کرده است، هيجاني که از «زمان ککوله تاکنون» ديده نشده است.
در بحث شيمي آلي، آموختن اعداد يوناني و پيشوندهاي اعداد يوناني به عنوان يک پيش نياز مطرح مي‌گردد. اين اعداد در نام گذاري انواع هيدرو کربنها مصرف دارند.
بيو شيمي - زيست شيمي
اساس شيميايي بسياري از واکنشها در جانداران شناخته شده است. کشف ساختمان دو رشته‌اي دزاکسي ريبونوکلييک اسيد (DNA)، جزييات سنتز پروتيين از ژن ها، مشخص شدن ساختمان سه بعدي و مکانيسم فعاليت بسياري از مولکولهاي پروتييني، روشن شدن چرخه‌هاي مرکزي متابوليسم وابسته بهم و مکانيسم هاي تبديل انرژي و گسترش فناوري Recombinant DNA (نوترکيبي DNA) از دستاوردهاي برجسته زيست‌شيمي هستند. امروزه مشخص شده که الگو و اساس مولکولي باعث تنوع جانداران شده است.
تمامي ارگانيسم ها از باکتري ها مانند اشرشياکلي تا انسان، از واحدهاي ساختماني يکساني که به صورت ماکرومولکول ها تجمع مي‌يابند، تشکيل يافته‌اند. انتقال اطلاعات ژنتيکي از DNA به ريبونوکلييک اسيد (RNA) و پروتيين در تمامي جانداران به صورت يکسان صورت مي‌گيرد. آدنوزين تري فسفات (ATP)، فرم عمومي انرژي در سيستم هاي زيستي، از راه هاي مشابهي در تمامي جانداران توليد مي‌شود.
تاثير زيست‌شيمي در پزشکي
مکانيسم هاي مولکولي بسياري از بيماريها، از قبيل بيماري کم خوني و اختلالات ارثي متابوليسم، مشخص شده است. اندازه گيري فعاليت آنزيمها در تشخيص کلينيکي ضروري مي‌باشد. براي مثال، سطح بعضي از آنزيمها در سرم نشانگر اين است که آيا بيمار اخيرا سکته قلبي کرده است يا نه؟بررسي DNAدر تشخيص ناهنجاريهاي ژنتيکي، بيماريهاي عفوني و سرطانها نقش مهمي ايفا ميکند. سوشهاي باکتريايي حاوي DNA نوترکيب که توسط مهندسي ژنتيک ايجاد شده است، امکان توليد پروتيينهايي مانند انسولين و هورمون رشد را فراهم کرده است. به علاوه، زيست‌شيمي اساس علايم داروهاي جديد خواهد بود. در کشاورزي نيز از فناوري DNA نوترکيب براي تغييرات ژنتيکي روي ارگانيسمها استفاده مي‌شود.
گسترش سريع علم و تکنولوژي زيست‌شيمي در سالهاي اخير، پژوهشگران را قادر ساخته که به بسياري از سوالات و اشکالات اساسي در مورد زيست‌شناسي و علم پزشکي پاسخ بدهند. چگونه يک تخم حاصل از لقاح گامت هاي نر و ماده به سلول هاي ماهيچه‌اي، مغز و کبد تبديل مي‌شود؟ به چه صورت سلول ها با همديگر به صورت يک اندام پيچيده درمي‌آيند؟ چگونه رشد سلولها کنترل مي‌شود؟ علت سرطان چيست؟ سازوکار حافظه کدام است؟ اساس مولکولي روان‌گسيختگي (شيزوفرني) چيست؟
مدلهاي مولکولي ساختمان سه بعدي
وقتي ارتباط سه بعدي بيومولکولها و نقش بيولوژيکي آنها را بررسي مي‌کنيم، سه نوع مدل اتمي براي نشان دادن ساختمان سه بعدي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
مدل فضاپرکن (Space _ Filling) اين نوع مدل، خيلي واقع بينانه و مصطلح است. اندازه و موقعيت يک اتم در مدل فضا پرکن بوسيله خصوصيات باندها و شعاع پيوندهاي واندروالسي مشخص مي‌شود. رنگ مدلهاي اتم طبق قرارداد مشخص مي‌شود. مدل گوي و ميله (ball _ and _ Stick) اين مدل به اندازه مدل فضا پرکن، دقيق و منطقي نيست. براي اينکه اتمها به صورت کروي نشان داده شده و شعاع آنها کوچکتر از شعاع واندروالسي است.
مدل اسکلتي (Skeletal) ساده‌ترين مدل مورد استفاده است و تنها شبکه مولکولي را نشان مي‌دهد و اتمها به وضوح نشان داده نمي‌شوند. اين مدل، براي نشان دادن ماکرومولکولهاي بيولوژيکي از قبيل مولکولهاي پروتييني حاوي چندين هزار اتم مورد استفاده قرار مي‌گيرد. فضا در نشان دادن ساختمان مولکولي، بکار بردن مقياس اهميت زيادي دارد. واحد آنگستروم، بطور معمول براي اندازه‌گيري طول سطح اتمي مورد استفاده قرار مي‌گيرد. براي مثال، طول باند C _ C، مساوي 1،54 آنگستروم مي‌باشد. بيومولکولهاي کوچک، از قبيل کربوهيدراتها و اسيدهاي آمينه، بطور تيپيک، طولشان چند آنگستروم است. ماکرومولکولهاي بيولوژيکي، از قبيل پروتيينها، 10 برابر بزرگتر هستند. براي مثال، پروتيين حمل کننده اکسيژن در گلبولهاي قرمز يا هموگلوبين، داراي قطر 65 آنگستروم است. ماکرومولکولهاي چند واحدي 10 برابر بزرگتر مي‌باشند. ماشينهاي سنتز کننده پروتيين در سلولها يا ريبوزومها، داراي 300 آنگستروم طول هستند. طول اکثر ويروسها در محدوده 100 تا 1000 آنگستروم است. سلولها بطور طبيعي 100 برابر بزرگتر هستند و در حدود ميکرومتر (?m) مي‌باشند. براي مثال قطر گلبولهاي قرمز حدود 7?m است. ميکروسکوپ نوري حداقل تا 2000 آنگستروم قابل استفاده است. مثلا ميتوکندري را مي‌توان با اين ميکروسکوپ مشاهده کرد. اما اطلاعات در مورد ساختمانهاي بيولوژيکي از مولکولهاي 1 تا آنگستروم با استفاده از ميکروسکوپ الکتروني X-ray بدست آمده است. مولکولهاي حيات ثابت مي‌باشند.
زمان لازم براي انجام واکنشهاي زيست‌شيميايي
واکنشهاي شيميايي در سامانه‌هاي زيستي به وسيله آنزيمها کاتاليز مي‌شوند. آنزيمها سوبستراها را در مدت ميلي ثانيه به محصول تبديل مي‌کنند. سرعت بعضي از آنزيمها حتي سريعتر نيز مي‌باشد، مثلا کوتاهتر از چند ميکروثانيه. بسياري از تغييرات فضايي در ماکرومولکولهاي بيولوژيکي به سرعت انجام مي‌گيرد. براي مثال، باز شدن دو رشته هليکسي DNA از همديگر که براي همانندسازي و رونويسي ضروري است، يک ميکروثانيه طول مي‌کشد. جابجايي يک واحد (Domain) از پروتيين با حفظ واحد ديگر، تنها در چند نانوثانيه اتفاق مي‌افتد. بسياري از پيوندهاي غير کووالان مابين گروههاي مختلف ماکرومولکولي در عرض چند نانوثانيه تشکيل و شکسته مي‌شوند. حتي واکنشهاي خيلي سريع و غير قابل اندازه گيري نيز وجود دارد. مشخص شده است که اولين واکنش در عمل ديدن، تغيير در ساختمان ترکيبات جذب کننده فوتون به نام رودوپسين مي‌باشد که در عرض اتفاق مي‌افتد.
انرژي ما بايستي تغييرات انرژي را به حوادث مولکولي ربط دهيم. منبع انرژي براي حيات، خورشيد است. براي مثال، انرژي فوتون سبز، حدود 57 کيلوکالري بر مول (Kcal/mol) بوده و ATP، فرمول عمومي انرژي، داراي انرژي قابل استفاده به اندازه 12 کيلوکالري بر مول مي‌باشد. برعکس، انرژي متوسط هر ارتعاش آزاد در يک مولکول، خيلي کم و در حدود 0،6 کيلوکالري بر مول در 25 درجه سانتيگراد مي‌باشد. اين مقدار انرژي، خيلي کمتر از آن است که براي تجزيه پيوندهاي کووالانسي مورد نياز است، (براي مثال 83Kcal/mol براي پيوند C _ C). بدين خاطر، شبکه کووالانسي بيومولکولها در غياب آنزيمها و انرژي پايدار مي‌باشد. از طرف ديگر، پيوندهاي غير کووالانسي در سيستمهاي بيولوژيکي بطور تيپيک داراي چند کيلوکالري انرژي در هر مول مي‌باشند. بنابراين انرژي حرارتي براي ساختن و شکستن آنها کافي است. يک واحد جايگزين در انرژي، ژول مي‌باشد که برابر 0،239 کالري است.
ارتباطات قابل بازگشت بيومولکولها
ارتباطات قابل برگشت بيومولکولها از سه نوع پيوند غير کووالانسي تشکيل شده است. ارتباطات قابل برگشت مولکولي، مرکز تحرک و جنبش موجود زنده است. نيروهاي ضعيف و غير کووالان نقش کليدي در رونويسي DNA، تشکيل ساختمان سه بعدي پروتيينها، تشخيص اختصاصي سوبستراها بوسيله آنزيمها و کشف مولکولهاي سيگنال ايفا مي‌کنند. به علاوه، اکثر مولکولهاي زيستي و فرآيندهاي درون‌مولکولي، بستگي به پيوندهاي غير کووالاني همانند پيوندهاي کووالاني دارند. سه پيوند اصلي غير کووالان عبارت است از: پيوندهاي الکترواستاتيک، پيوندهاي هيدروژني و پيوندهاي واندروالسي آنها از نظر ژيومتري، قدرت و اختصاصي بودن با هم تفاوت دارند. علاوه از آن، اين پيوندها به مقدار زيادي از طرق مختلف در محلولها تحت تاثير قرار مي‌گيرند.
شيمي سبز: پيش‌گيري از آلودگي در سطح مولكولي
شيمي نقشي بنيادي در پيشرفت تمدن آدمي داشته و جايگاه آن در اقتصاد، سياست و زندگي‌روزمره روز به روز پر رنگ‌تر شده است. با اين همه، شيمي طي روند پيشرفت خود، كه همواره با سود رساندن به آدمي همراه بوده، آسيب‌هاي چشمگيري نيز به سلامت آدمي و محيط زيست وارد كرده است. شيميدانها طي سال‌ها كوشش و پژوهش، مواد خامي را از طبيعت برداشت كرده‌اند، كه با سلامت آدمي و شرايط محيط زيست سازگاري بسيار دارند، و آنها را به موادي دگرگونه كرده‌اند كه سلامت آدمي و محيط زيست را به چالش كشيده‌اند. همچنين، اين مواد به‌سادگي به چرخه‌ي طبيعي مواد باز نمي‌گردند و سالهاي زيادي به صورت زباله‌هاي بسيار آسيب‌رسان و هميشگي در طبيعت مي‌ماند.
بارها از آسيب‌هاي مواد شيميايي به بدن آدمي و محيط زيست شنيده و خوانده‌ايم. اما، چاره‌ي كار چيست؟ آيا دوري و پرهيز از بهره‌گيري از مواد شيميايي مي‌تواند به ما كمك كند؟ تا چه اندازهاي مي‌توانيم از آنها دوري كنيم؟ كدام‌ها را مي‌توانيم به كار نبريم؟ كدام‌يك از فرآوردههاي شيميايي را مي‌توان يافت كه با آسيب به سلامت آدمي يا محيط زيست همراه نباشد؟ داروهايي كه سلامتي ما به آنها بستگي زيادي دارد، خود با آسيب‌هايي به بدن ما همراه‌اند. آيا مي‌توانيم آنها را به كار نبريم؟ آيا مي‌توان آب تصفيه شده با مواد شيميايي را ننوشيم؟ پيرامون ما را انبوهي از مواد شيميايي گوناگون فراگرفته‌اند كه در زهرآگين بودن و آسيب‌رسان بودن بيشتر آنها شكي نداريم و از بسياري از آنها نيز نمي‌توانيم دوري كنيم.
بي‌گمان هر اندازه كه بتوانيم از به كارگيري مواد شيميايي در زندگي خود پرهيز كنيم يا از رها شدن اين گونه مواد در طبيعت جلوگيري كنيم، به سلامت خود و محيط زيست كمك كرده‌ايم. اما به نظر مي‌رسد در كنار اين راهكارهاي پيش‌گيرانه، كه تا كنون كارآمدي چشمگيري از خود نشان نداده‌اند، بايد به راههاي كارآمدتري نيز بيانديشيم كه دگرگوني در شيوه‌ي ساختن مواد شيمايي در راستاي كاهش آسيب‌هاي آنها به آدمي و محيط زيست، يكي از اين راه‌هاست. امروزه، از اين رويكرد نوين با عنوان شيمي سبز ياد مي‌شود كه عبارت است از: طراحي فرآورده‌ها و فرآيندهاي شيميايي كه به‌كارگيري و توليد مواد آسيب‌رسان به سلامت آدمي و محيط زيست را كاهش ميدهند يا از بين مي‌برند.
بنيادهاي شيمي سبز
شيمي سبز، كه بيشتر به عنوان شيوه‌اي براي پيش‌گيري از آلودگي در سطح مولكولي شناخته مي‌شود، بر دوازده بنياد استوار است كه طراحي يا بازطراحي مولكول‌ها، مواد و دگرگوني‌هاي شيميايي در راستاي سالم‌تر كردن آنها براي آدمي و محيط زيست، بر پايه‌ي آنها انجام مي‌شود.
1. پيش‌گيري از توليد فراورده‌هاي بيهوده
توانايي شيميدانها براي بازطراحي دگرگوني‌هاي شيميايي براي كاستن از توليد فراورده‌هاي بيهوده و آسيب‌رسان، نخستين گام در پيش‌گيري از آلودگي است. با پيش‌گيري از توليد فراورده‌هاي بيهوده، آسيب‌هاي مرتبط با انباركردن، جابه‌جايي و رفتار با آنها را به كم‌ترين اندازه‌ي خود كاهش مي‌دهيم.
2. اقتصاد اتم، افزايش بهره‌وري از اتم
اقتصاد اتم به اين مفهوم است كه بازده دگرگوني‌هاي شيميايي را افزايش دهيم. يعني طراحي دگرگوني‌هاي شيميايي به شيوه‌اي باشد كه گنجاندن بيشتر مواد آغازين را در فرآوردههاي نهايي درپي داشته باشد. گزينش اين گونه دگرگوني‌ها، بازده را افزايش و فرآوردههاي بيهوده را كاهش مي‌دهد.
3. طراحي فرايندهاي شيميايي كم‌آسيب‌تر
شيميدانها در جايي كه امكان دارد بايد شيوه‌ي را طراحي كنند تا موادي را به كار برد يا توليد كند كه زهرآگيني كم‌تري براي آدمي يا محيط زيست داشته باشند. اغلب براي يك دگرگوني شيميايي واكنشگرهاي گوناگوني وجود دارد كه از ميان آنها مي‌توان مناسب‌ترين را برگزيد.
4. طراحي مواد و فراورده‌هاي شيميايي سالم‌تر
فراورده‌هاي شيميايي بايد به گونه‌اي طراحي شوند كه با وجود كاهش زهرآگيني‌شان كار خود را به‌خوبي انجام دهند. فراورده‌هاي جديد را مي‌توان به گونه‌اي طراحي كرد كه سالم‌تر باشند و در همان حال، كار در نظر گرفته شده براي آنها را به‌خوبي انجام دهند.
5. بهره‌گيري از حلال‌ها و شرايط واكنشي سالم‌تر
بهره‌گيري از مواد كمكي(مانند حلال‌ها و عامل‌هاي جداكننده) تا جايي كه امكان دارد به كم‌ترين اندازه برسد و زماني كه به كار مي‌روند از گونه‌هاي كم‌آسيب‌رسان باشند. دوري كردن از جداسازي در جايي كه امكان دارد و كاهش بهره‌گيري از مواد كمكي، در كاهش فراورده‌هاي بيهوده كمك زيادي مي‌كند.
6. افزايش بازده انرژي.
نياز به انرژي در فرايندهاي شيميايي از نظر اثر آنها بر محيط زيست و اقتصاد بايد در نظر گرفته شود و به كم‌ترين ميزان خود كاهش يابد. اگر امكان دارد، روشهاي ساخت و جداسازي بايد به گونه‌اي طراحي شود كه هزينه‌هاي انرژي مرتبط با دما و فشار بسيار بالا يا بسيار پايين به كم‌ترين اندازه‌ي خود برسد.
7. بهره‌گيري از مواداوليه‌ي نوشدني
دگرگوني‌هاي شيميايي بايد به گونه‌اي طراحي شوند تا از مواد اوليه‌ي نوشدني بهره گيرند. فرآوردههاي كشاورزي يا فرآوردههاي بيهوده‌ي فرآيندهاي ديگر، نمونه‌هايي از مواد نوشدني هستند. تا جايي كه امكان دارد، اين گونه مواد را به‌جاي مواد اوليه‌اي كه از معدن يا سوختهاي فسيلي به دست مي‌آيند، به كار بريم.
8. پرهيز از مشتق‌هاي شيميايي.
مشتق‌گرفتن(مانند بهره‌گيري از گروههاي مسدودكننده يا تغييرهاي شيميايي و فيزيكي گذرا) بايدكاهش يابد، زيرا چنين مرحله‌هايي به واكنشگرهاي اضافي نياز دارند كه مي‌توانند فراورده‌هاي بيهوده توليد كنند. توالي‌هاي جايگزين مي‌توانند نياز به گروههاي حفاظت‌كننده يا تغيير گروههاي عاملي را از بين ببرند يا كاهش دهند.
9. بهره‌گيري از كاتاليزگرها
كاتاليزگرها گزينشي بودن يك واكنش را افزايش ميدهند؛ دماي مورد نياز را كاهش ميدهند؛ واكنشهاي جانبي را به كم‌ترين اندازه مي‌رسانند؛ ميزان دگرگون‌شدن واكنشگرها به فرآوردههاي نهايي را افزايش ميدهند و ميزان فرآوردههاي بيهوده مرتبط با واكنشگرها را كاهش ميدهند.
10. طراحي براي خراب شدن
فروآرده‌هاي شيميايي بايد به گونه‌اي طراحي شوند كه در پايان كاري كه براي آنها در نظر گرفته شده، به فرآوردههاي تجزيه‌شدني، بشكنند و زياد در محيط زيست نمانند. روش طراحي در سطح مولكول براي توليد فرآورده‌هايي كه پس از آزاد شدن در محيط به مواد آسيب‌نرسان تجزيه مي‌شوند، مورد توجه است.
11. تحليل در زمان واقعي براي پيش‌گيري از آلودگي
بسيار اهميت دارد كه پيشرفت يك واكنش را همواره پي‌گيري كنيد تا بدانيد چه هنگام واكنش كامل مي‌شود يا بروز هر فراورده‌ي جانبي ناخواسته را شناسايي كنيد. هر جا كه امكان داشته باشد، روشهاي آناليز در زمان واقعي به كار گرفته شوند تا به وجود آمدن مواد آسيب‌رسان پي‌گيري و پيش‌گيري شود.
12. كاهش احتمال روي‌دادهاي ناگوار
يك راه براي كاهش احتمال روي‌داهاي شيميايي ناخواسته، بهره‌گيري از واكنشگرها و حلال‌هايي است كه احتمال انفجار، آتش‌سوزي و رهاشدن ناخواسته‌ي مواد شيميايي را كاهش ميدهند. آسيب‌هاي مرتبط با اين روي‌دادها را مي‌توان به تغييردادن حالت(جامد، مايع يا گاز) يا تركيب واكنشگرها كاهش داد.
كوشش‌ها و دستاوردهاي شيمي سبز
شيميدان‌هاي سبز در پي آن هستند كه روندهاي شيميايي سالم‌تري را جايگزين روندهاي كنوني كنند يا با جايگزين كردن مواد اوليه‌ي سالم‌تر يا انجام دادن واكنش‌ها در شرايط ايمن‌تر، فراورده‌هاي سالم‌تري را به جامعه هديه دهند. برخي از آن ها مي‌كوشند شيمي را به زيست‌شيمي نزديك كند، چرا كه واكنشهاي زيست‌شيميايي طي ميليون‌ها سال رخ داده‌اند و چه براي آدمي و چه براي محيط زيست، چالش‌ها نگران كننده‌ي به وجود نياورده‌اند. بسياري از اين واكنش‌ها در شرايط طبيعي رخ ميدهند و به دما و فشار بالا نياز ندارند. فراورده‌هاي آنها نيز به آساني به چرخه‌ي مواد بازمي‌گردند و فراورده‌هاي جانبي آنها براي جانداران سودمند هستند. الگو برداري از اين واكنش‌ها مي‌تواند چالش‌هاي بهداشتي و زيست‌محيطي كنوني را كاهش دهد.
گروه ديگري از شيميدان‌هاي سبز مي‌كوشند بهره‌وري اتمي را افزايش دهند. طي يك واكنش شيميايي شماري اتم آغازگر واكنش هستند و در پايان بيشتر واكنش‌ها با فراورده‌هايي رو به رو هستيم كه شمار اتمهاي آنها از شمار همه‌ي اتمهاي آغازين بسيار كم‌تر است. بي‌گمان آن اتمها نابود نشده‌اند، بلكه در ساختمان فرآوردههاي بيهوده و اغلب آسيب‌رسان به طبيعت رها مي‌شوند و سلامت آدمي و ديگر جانداران را به چاش مي‌كشند. هر چه بتوانيم اتمهاي بيشتري در فرآوردههاي بگنجانيم، هم به سلامت خود و محيط زيست كمك كرده‌ايم و هم از هدر رفتن اتم‌هايي كه به عنوان مواد اوليه براي آنها پول پرداخت كرده‌ايم، پيش‌گيري مي‌كنيم.
بازطراحي واكنشهاي شيميايي نيز راهكار سودمند ديگري براي پيش‌گيري از پيامدهاي ناگوار مواد شيميايي است. در اين بازطراحي‌ها از مواد آغازگر سالم‌تر بهره مي‌گيرند يا روندهايي را طراحي مي‌كنند كه با واكنشهاي مرحله‌اي كم‌تر به فراورده برسند. همچنين، روندهايي را طراحي مي‌كنند كه به مواد كمكي كم‌تر، به‌ويژه حلال‌هاي شيميايي، نياز دارند. گاهي نيز واكنشهاي زيست‌شيمي و شيمي را به هم گره مي‌زنند و روند سالم‌تري و كارآمدتري را مي‌آفرينند. بازطراحي روند داروها مي‌تواند همراه با افزايش كارآمدي آنها به هر چه سالم‌تر شدن آنها بينجامد و اثرهاي جانبي آنها بر روندهاي زيست شناختي بدن، تا جايي كه امان دارد، كاهش دهد.
در ادامه به نمونه‌هايي از كوشش‌ها و دستاوردهاي شيميدان‌هاي سبز اشاره مي شود.
1. سوختهاي جايگزين
به كارگيري سوختهاي فسيلي در خودروها با رهاشدن انبوهي از گازهاي گلخانهي به جو همراه شده كه دگرگوني‌هاي آب و هوايي را در پي داشته است. از سوختن نادرست آنها نيز، مواد زهرآگيني به هوا آزاد شده كه سلامتي آدمي را به چالش كشيده است. حتي اگر بتوانيم بر اين دو چالش بزرگ پيروز شويم، با كاهش روز افزون اندوخته‌هاي فسيلي روبهرو هستيم كه از آن گريزي نيست. اين تنگناها همراه با افزايش روز افزون بهاي اين گونه سوخت‌ها، كه به نظر مي‌رسد همچنان ادامه يابد، پژوهشگران و مهندسان بسياري را به فكر طراحي خودروهايي با سوخت هيدروژن انداخته است. چرا كه خاستگاه اين سوخت، آب است كه فراوان‌ترين ماده در طبيعت است و فرآورده‌ي سوختن اين سوخت در خودرو نيز خود آب است.
با اين همه، سوخت هيدروژن با چالش بزرگي روبهرو است. فراهم آوردن هيدروژن از آب با فرآيند الكتروليز انجام مي‌شود كه براي پيشبرد آن به الكتريسيته نياز هست و اكنون نيز بيشتر الكتريسيته از سوختن اندوخته‌هاي فسيلي به دست مي‌آيد. شايد روزي با به‌كاربردن برخي كاتاليزگرها بتوانيم از انرژي خورشيدي به جاي سوختهاي فسيلي در پيش بردن روند الكتروليز بهره گيريم، اما هنوز راهكار كارآمدي براي توليد ارزان هيدروژن پيشنهاد نشده است و به نظر نمي‌رسد در آينده‌اي نزديك به چنين تواني دست پيدا كنيم. با اين همه، برخي دانشمندان اميدوارند بتوانند خواستگاه زيستي براي هيدروژن به وجود آورند.
گروهي از پژوهشگران در سال 2000 ميلادي گزارش كردند كه توانسته‌اند از جلبك‌هاي سبز براي آزاد كردن هيدروژن از مولكول‌هاي آب، به همان اندازه كه از الكتروليز به دست مي‌آيد، بهره گيرند. اما نور خورشيد براي اين رويكرد گرفتاري درست مي‌كند، چرا كه جلبك طي فرآيند فتوسنتز اكسيژن نيز توليد مي‌كند. اين اكسيژن از كار آنزيم توليدكننده‌ي هيدروژن جلوگيري مي‌كند و در نتيجه هيدروژن اندكي به دست مي‌آيد دانشمندان مي‌كوشند با تغييرهايي كه در اين فرايند طبيعي ميدهند، بازده‌ي توليد هيدروژن را بالا ببرند. شايد يك روز آبگير كوچكي كه از جلبك پوشيده شده است، خواستگاه هيدروژن خودروهاي ما باشد.
در رويكرد ديگر كه مورد توجه است، از روغن‌هاي گياهي به عنوان خواستگاهي براي تهيه‌ي سوخت جايگزين بهره مي‌گيرند. براي تهيه‌ي اين نوع سوخت، كه با عنوان بيوديزل شناخته مي شود، پس مانده‌ي روغن آشپزي را نيز مي‌توان به كار گرفت. هر چند از سوختن اين نوع سوخت نيز مانند ديگر سوختهاي فسيلي گاز گلخانهي آزاد مي‌شود، اما به اندازهاي توليد مي‌شود كه گياهان طي فرآيند فتوسنتز آن را براي توليد قند به كار مي‌گيرند. از سوي ديگر، روغن‌ها گياهي نوشدني هستند و از سوختن آنها گوگرد و آلاينده‌هاي آسيب‌رسان ديگري آزاد نمي‌شود. از سودمندي‌هاي ديگر اين نوع سوخت اين است كه گليسرين، ماده‌اي كه در صابون، خميردندان، مواد آرايشي و جاهاي ديگر به كار مي‌رود، از فرآوردههاي جانبي روند توليد آن است. همچنين، چون طي روند توليد اين سوخت، به آن اكسيژن افزوده مي شود، بهتر از سوخت نفتي در موتور مي‌سوزد. به روغن‌كاري موتور نيز كمك مي‌كند و بر درازي عمر آن مي‌افزايد.
2. پلاستيك‌هاي سبز و تجزيه‌پذير
زندگي در جهاني بودن پلاستيك بسيار دشوار است. پلاستيك‌ها د ر توليد هر گونه فرآورده ي صنعتي، از صنعت خودروسازي گرفته تا دنياي پزشكي، به كارگرفته شده‌اند . تنها در ايالات متحده ي امريكا سالانه نزديك 50 ميليون تن پلاستيك توليد مي‌شود. اما اين مواد به عنوان زباله‌هاي پايدار به تجزيه ميكروبي، چالش‌هاي زيست محيطي پيچيده‌اي به بار آورده‌اند. پلاستيك‌ها علاوه بر اين كه جاهاي به خاك‌سپاري زباله را پر كرده‌اند، سالانه در حجمي برابر با چند هزار تن به محيط‌هاي دريايي وارد مي‌شوند. برآورد شده است كه هر سال يك ميليون جانور دريايي به دليل خفگي حاصل از خوردن پلاستيك‌ها به عنوان غذا يا به دام افتادن در زباله‌هاي پلاستيكي از بين مي‌روند.
در سال هاي اخير، كوشش‌هاي قانوني براي جلوگيري از دورريزي پلاستيك‌هاي تجزيه ناشدني، افزايش يافته است. اين كوشش‌ها صنعت‌‌گران پلاستيك را واداشته است تا در پي پلاستيك‌هايي باشند كه پيامدهاي زيست‌محيطي كم‌تري دارند. پلاستيك‌هاي نشاسته‌اي تجزيه‌پذير و پلاستيك‌هاي ميكروبي از دستاورد كوشش‌هاي چند ساله‌ي پژوهشگران اين زمينه‌ي در حال پيشرفت و گسترش است.
در پلاستيك هاي نشاسته‌اي، قطعه‌هاي كوتاهي از پلي‌اتيلن با مولكول‌هاي نشاسته به هم مي‌پيوندند. هنگامي كه اين پلاستيك‌ها در جاهاي به خاك‌سپاري زباله ها، دور ريخته مي‌شود، باكتري‌هاي خاك به مولكول‌هاي نشاسته يورش مي‌برند و قطعه‌هاي پلي‌اتيلن را براي تجزيه‌ي ميكروبي رها مي‌سازند. اين گونه پلاستيك‌ها اكنون در بازار وجود دارند و به ويژه براي پلاستيك‌ها جابه‌جايي و نگهداري مواد عذايي و ديگر وسايل يك‌بار مصرف بسيار سودمند هستند. با اين همه، كمبود اكسيژن در جاهاي به خاك‌سپاري زباله‌‌ها و اثر مهاري قطعه‌هاي پلي‌اتيلن بر عملكرد باكتري‌ها، بهره‌گيري استفاده از اين پلاستيك‌ها را محدود ساخته است.
در سال 1925 ميلادي گروهي از دانشمندان كشف كردند كه گونه‌هاي زيادي از باكتري‌ها ، بسپار پلي‌بي هيدروكسي بوتيرات(PHB) مي‌سازند و از آن به عنوان اندوخته‌ي غذايي خود بهره مي‌گيرند. در دهه ي 1970، پژوهش‌هاي نشان داد كه PHB بسياري از ويژگيهاي پلاستيك‌هاي نفتي(مانند پلي‌اتيلن) را دارد. از اين رو، كم كم گفت و شنود پيرامون بهره‌گيري از اين بسپار به عنوان جايگزيني مناسب براي پلاستيك‌هاي تجزيه‌ناپذير كنوني آغاز شد. سپس در سال 1992، گروهي از پژوهشگران ژن‌هاي درگير در ساختن اين بسپار را به گياه رشادي(Arabidopsis thaliana) وارد كردند و به اين ترتيب گياهي پديد آوردند كه پلاستيك توليد مي‌كند.
سال پس از آن، توليد اين پلاستيك سبز در گياه ذرت آغاز شد و براي اين كه توليد پلاستيك با توليد مواد غذايي رقابت نكند، پژوهشگران بخش‌هايي از گياه ذرت (برگ‌ها و ساقه‌ها) را ، كه به طور معمول برداشت نمي‌شوند، هدف قرار دادند. پرورش پلاستيك در اين بخش‌ها به كشاورزان امكان مي‌دهد كه پس از برداشت دانه‌هاي ذرت، زمين را براي برداشت ساقه‌ها و برگ‌هاي داراي پلاستيك درو كنند. پژوهشگران درباره‌ي افزايش مقدار پلاستيك در گياهان، پيشرفت‌هاي چشمگيري داشته‌اند. با اين همه، هنوز دشواريهايي براي رسيدن به نتيجه‌ي مناسب وجود دارد.
كلروپلاست‌هاي برگ بهترين جا براي توليد پلاستيك به شمار مي‌آيند، اما چون كلروپلاست‌هاي جاي جذب نور هستند، مقدار زياد پلاستيك مي‌تواند فتوسنتز را مهار كند و بازده‌ي محصول را كاهش دهد. بيرون كشيدن پلاستيك از گياه نيز دشوار است. اين كار به مقدار زيادي حلال نياز دارد كه بايد پس از بهره‌گيري، بازيافت شود. بر اساس تازه‌ترين تخمين‌ها, توليد يك كيلوگرم PHB در گياه ذرت در مقايسه با پلي‌اتيلن به سه برابر انرژي بيشتري نياز دارد. كشت انبوه ميكروب‌هاي پلاستيك ساز نيز به همين ميزان انرژي نياز دارد.
3. بازطراحي واكنشهاي شيميايي
در روند بازطراحي واكنشهاي شيميايي از واكنشگرهاي آغازكنده‌اي بهره گرفته مي‌شود كه سالم‌ترند. در اين را ممكن است روندهاي زيست‌شيميايي نيز سودمند باشند. براي مثال، اديپيك اسيد، HOOC(CH2)4COOH يك ماده‌ي خام كليدي در توليد نايلون و فرآوردههاي مانند آن است كه سالانه بيش از 2 ميليون تن از آن در صنعت به كار گرفته مي‌شود. اين ماده از بنزن ساخته مي‌شود كه سرطانزا است و از اندوخته‌هاي فسيلي نونشدني به دست مي‌آيد. اما به تازگي دو شيميدان توانسته‌اند اين ماده را از يكي از فراوان‌ترين، سالم‌ترين و نوشدني‌ترين مواد طبيعي، يعني گلوكز، بسازند. آنها در اين راه از باكتري‌هايي كمك گرفتند كه با مهندسي ژنتيك آنزيم ويژه‌اي در آنها كار گذاشته شده بود و به ناچار طي يك روند زيست‌شيميايي ناخواسته، بنزن را از گلوكز مي‌سازند.
توجه به اقتصاد اتم نيز كمك زيادي مي‌كند. براي مثال، پژوهشگران توانسته‌اند اقتصاد اتمي را در روند توليد ايبوپورفن، تركيبي كه در بسياري از آرامش‌بخش‌ها به كار مي‌رود، از 40 درصد به 77 درصد برسانند و اين يعني، اتمهاي بيشتري كه شركت داروسازي براي آنها هزينه پرداخته است، به صورت مولكول پر فروشي در مي‌آيند و فراورده‌هاي بيهوده، كه مي‌توانند به محيط‌زيست آسيب برسانند، كم‌تر توليد مي‌شوند.
4. چندسازه‌هاي زيستي
اگر چه موادشناسان تنها در چند دهه‌ي گذشته به سوي چندسازه‌ها گرايش پيدا كرده‌اند، طبيعت در خود چندسازه‌هاي بسيار سخت، پيچيده و گوناگوني دارد كه از ديدگاه سختي و وزن، مانندي براي آنها نمي‌توان يافت. به هر جاي طبيعت كه مي‌نگريم، با يك چندسازه رو به رو مي‌شويم. براي نمونه، صدف‌هاي دريايي از چندسازه‌ي سراميكي سختي ساخته شده‌اند. اين سراميك از لايه‌هايي از بلورهاي سخت تشكيل شده كه در زمينه‌ي سيماني نرم‌تري جاي دارند. اين سراميك سخت و پايدار، جاندار درون خود را از آشوب موج نگهداري مي‌كند كه پيوسته آن را بر سطح سخره‌ها مي كوبد. بدن ما يك چند سازه است كه از چندسازه‌هايي مانند استخوان، غضروف و پوست درست شده است.
بشر از ساليان دور از چندسازه‌هاي طبيعي بهره گرفته است. كاه كه براي ساختن نخستين چندسازه‌ها به كار مي‌رفت، خود نوعي چندسازه است. ابزارهاي چوبي، كفش و لباسي كه از پوست جانوران تهيه مي‌شود، همه چندسازه‌هاي طبيعي‌اند. به خاطر اين گوناگوني و ويژگيهاي بي‌مانند، موادشناسان تلاش مي‌كنند از اين مواد براي سختي بخشيدن به چندسازه‌هاي ساختگي(مصنوعي) بهره گيرند تا از پيامدهاي زيست محيطي ناگوار ناشي از مواد ساختگي بكاهند. انويرون ( environ ) نمونه‌اي از اين چندسازه‌هاست كه از 40 درصد كاغذ روزنامه، 40 درصد گرد سويا و 20 درصد تركيب‌هاي ديگر (از جمله رنگ‌دهنده‌ها و كاتاليزگري كه در حضور آب كارا مي‌شود و گرد سويا را به رزين دگرگونه مي‌كند) ساخته مي‌شود. فراورده‌ي كار، يك چندسازه‌ي زيستي است كه ظاهري سنگ مانند دارد، اما مانند چوب مي‌توان آن را بريد. از اين چندسازه مي‌توان هر نوع ابزار چوبي را با ظاهري سنگ مانند ساخت.
سخن پاياني
بازطراحي واكنش‌ها و روندهاي شيميايي فرصت‌هاي تازه و بي‌شماري براي شيميدانها به وجود آورده است و هر شيميداني مي‌تواند به طراحي هر يك از واكنشهاي شناخته‌شده‌اي كه سال‌ها در كارخانه‌ها يا آزمايشگاه‌هاي دانشگاه‌ها به كار گرفته مي‌شد، در راستاي سالم‌كردن آن و كاهش هزينه‌ها و افزايش كاراآمدي و بازده، بپردازد. از اين رو، به نظر مي‌رسد فرصت‌هايي كه براي شيميدانها طي تاريخ دراز و كهن اين دانش فراهم شده، اكنون بارديگر براي شيميدان‌هاي امروزي فراهم شده است تا با ويرايش آن‌چه آنان در تاريخ شيمي به يادگار گذاشته‌اند، يادگارهاي سالم‌تري براي آيندگان برجاي گذارند.
منابع:
1. Anastas, P. T.; Warner, J. C. Green Chemistry: Theory and Practice; Oxford University Press: New York , 1998; pp 30.
2 . Jones, D. Hydrogen fuel cells for future cars. ChemMatters, December 2000
3 . La Merrill, M; Parent, k.; Kirchhoff, M. Jones, D. Hydrogen fuel cells for future cars. ChemMatters, April 2003
4. Emsleym J. A cleaner way to make nylon. NewScientist, 12 March 1994
5. Grengtoss, T.U.; Slater, S.C. How green are green plastics? Scientific American, Agust 2000
6. Ekre, B. Biodiesel: The Clear Choise. www.actionbioscience.com
7 .Tom Matthams.Perfect partnerships. New scientist 2001 20 January
منبع:
http://www.bedanid.com
http://www.academist.ir/س