Chemické vedy (súhrnne chémia) sú experimentálne prírodné vedy, ktoré skúmajú látky v celej ich rozmanitosti – od stavby atómov a molekúl cez ich vnútornú štruktúru a vlastnosti až po ich vzájomné kvalitatívne premeny počas chemických reakcií. Keďže v súčasnosti je známych desiatky miliónov chemických látok a ich počet neustále rastie, jeden človek už nedokáže obsiahnuť celé chemické poznanie. Chémia sa preto počas svojho vývoja rozčlenila na viacero špecializovaných vedných disciplín.
Ich delenie odráža rôzne aspekty štúdia:
- všeobecné zákonitosti, štruktúra a premeny – základné teoretické princípy, klasifikácia, stavba a energetické či dynamické fungovanie chemických sústav
- predmet štúdia – delenie látok podľa pôvodu a povahy na anorganickú, organickú a makromolekulovú chémiu
- určovanie zloženia a štruktúry – kvalitatívny a kvantitatívny rozbor látkových sústav a oddeľovanie zložiek zmesí
- hraničné vedy – prepojenie chémie s fyzikou, biológiou, geológiou a vedami o životnom prostredí
- aplikované vedy – využitie chemických poznatkov v priemyselnej výrobe, poľnohospodárstve, medicíne a vývoji materiálov
Všeobecné zákonitosti, štruktúra a premeny link
Tieto vedecké disciplíny sa zameriavajú na základné teoretické princípy, klasifikáciu, vnútornú stavbu a energetické či dynamické fungovanie chemických sústav na mikroskopickej aj makroskopickej úrovni:
- všeobecná chémia – zaoberá sa základnými chemickými pojmami, empirickými zákonmi a všeobecnými zákonitosťami stavby látok a priebehu chemických reakcií, ktorých poznanie umožňuje predvídať vlastnosti látok a správanie chemických sústav
- chemické názvoslovie (nomenklatúra) – súbor pravidiel a symbolov (usmerňovaných medzinárodnou úniou IUPAC), pomocou ktorých sa systematicky tvoria vzorce a názvy chemických prvkov, iónov a zlúčenín na základe ich zloženia a oxidačných čísel
- vedy o stavbe a štruktúre látok – popisujú usporiadanie základných stavebných častíc hmoty a sily, ktoré ich držia pokope:
- teória chemickej väzby – skúma podstatu vzniku a zániku chemických väzieb (kovalentných, iónových, kovových, koordinačných) a slabých medzimolekulových interakcií prostredníctvom zmien v elektrónovom obale atómov
- stereochémia – náuka o priestorovom usporiadaní atómov v molekulách; skúma konštitúciu, konfiguráciu a konformáciu molekúl, ako aj jav izomérie (existenciu látok s rovnakým sumárnym vzorcom, ale odlišnou štruktúrou a vlastnosťami)
- kryštalochémia (kryštalografia) – zaoberá sa vnútornou štruktúrou tuhých kryštalických látok a vzťahom medzi priestorovým usporiadaním častíc v kryštálovej mriežke a vlastnosťami látok
- vedy o priebehu chemických dejov – študujú energetické zmeny, rýchlosť a mechanizmy látkových premien:
- chemická termodynamika – skúma energetickú stránku chemických reakcií, podmienky ich uskutočniteľnosti a stav chemickej rovnováhy bez ohľadu na cestu, akou k zmene došlo; jej časťou je termochémia, ktorá sa zaoberá reakčným teplom (exotermické a endotermické deje)
- chemická kinetika (reakčná kinetika) – zaoberá sa rýchlosťou chemických reakcií, jej ovplyvňovaním (napr. teplotou, koncentráciou, katalyzátormi) a detailným reakčným mechanizmom, ktorým sa reaktanty menia na produkty
Predmet štúdia link
Tradičné rozdelenie chémie vychádza z historického delenia látok podľa ich pôvodu na látky neživej a živej prírody. Hoci bol názor o nadprirodzenej „životnej sile“ (vis vitalis) vyvrátený už v roku 1828, keď FRIEDRICH WÖHLER syntetizoval organickú močovinu z anorganickej látky, rozdelenie na základné disciplíny sa z praktických a metodických dôvodov zachovalo dodnes.
Podľa pôvodu a povahy skúmaných látok sa chémia delí na tri oblasti:
- anorganická chémia – štúdium prvkov periodickej sústavy a anorganických zlúčenín
- organická chémia – štúdium zlúčenín uhlíka a ich derivátov
- makromolekulová chémia – štúdium prírodných a syntetických polymérov
Anorganická chémia link
Anorganická chémia je veda o vzniku, zložení, štruktúre, vlastnostiach a premenách anorganických látok. Skúma prakticky všetky chemické prvky periodickej sústavy a ich zlúčeniny (niekoľko stotisíc látok) s výnimkou väčšiny zlúčenín uhlíka (z historických dôvodov sem však stále patria jednoduché zlúčeniny uhlíka ako oxidy uhlíka, kyselina uhličitá, uhličitany, karbidy či kyanidy).
Delí sa na viaceré užšie oblasti:
- systematická chémia prvkov – štúdium konkrétnych skupín prvkov podľa ich postavenia v periodickej sústave a elektrónovej konfigurácie (s-prvky, p-prvky, prechodné d-prvky a vnútorne prechodné f-prvky)
- koordinačná chémia – špecializovaný odbor zameraný na štúdium komplexných (koordinačných) zlúčenín, ktoré sa vyznačujú špecifickou štruktúrou s centrálnym atómom a ligandmi
Organická chémia link
Organická chémia skúma štruktúru, reaktivitu, prípravu a vlastnosti organických látok, teda zlúčenín uhlíka (s vodíkom a ďalšími prvkami ako kyslík, dusík, síra, fosfor či halogény). Keďže má atóm uhlíka schopnosť vytvárať dlhé reťazce, cykly a násobné väzby, organické zlúčeniny tvoria až 99 % všetkých známych chemických látok (desiatky miliónov zlúčenín).
K jej hlavným poddisciplínam patria:
- chémia uhľovodíkov – štúdium základných organických zlúčenín zložených len z uhlíka a vodíka (alifatické, napr. alkány, alkény a alkíny, ďalej cyklické a aromatické uhľovodíky – arény)
- chémia derivátov uhľovodíkov – štúdium zlúčenín odvodených nahradením vodíka charakteristickou funkčnou skupinou alebo heteroatómom (halogénderiváty, kyslíkaté a dusíkaté deriváty, deriváty síry)
- chémia heterocyklických zlúčenín – zameriava sa na cyklické organické zlúčeniny, ktoré majú v cykle okrem uhlíka aspoň jeden iný prvok (heteroatóm)
- organokovová chémia – tvorí prechod medzi anorganickou a organickou chémiou; skúma zlúčeniny obsahujúce priamu väzbu medzi atómom uhlíka a atómom kovu
- chémia prírodných látok (bioorganická chémia) – venuje sa organickým látkam, ktoré sa podieľajú na stavbe a životných procesoch organizmov (sacharidy, lipidy, aminokyseliny, bielkoviny, nukleové kyseliny, vitamíny, steroidy či terpenoidy)
Makromolekulová chémia link
Makromolekulová chémia (chémia polymérov) sa odčlenila od všeobecnej a organickej chémie v 20. rokoch 20. storočia. Študuje štruktúru, vlastnosti a zákonitosti vzniku (polymerizáciu, polykondenzáciu, polyadíciu) prírodných aj syntetických látok s veľkými molekulami – makromolekulami, ktoré vznikajú spájaním základných stavebných jednotiek (monomérov) do dlhých reťazcov.
Určovanie zloženia a štruktúry link
Skúmaniu neznámych vzoriek, rozboru látkových sústav a čisteniu či oddeľovaniu zložiek zmesí sa venuje analytická chémia. Podľa základného cieľa skúmania sa rozdeľuje na dve hlavné vetvy:
- kvalitatívna analytická chémia – odpovedá na otázku, aké chemické prvky, ióny alebo zlúčeniny sú v analyzovanej vzorke prítomné (dôkazové reakcie)
- kvantitatívna analytická chémia – odpovedá na otázku, koľko (v akom množstve, hmotnostnom zlomku či koncentrácii) sa danej zložky vo vzorke nachádza
Podľa použitých postupov využíva analytická chémia:
- klasické chemické metódy – napr. odmernú analýzu (titráciu) alebo vážkovú analýzu (gravimetriu)
- separačné metódy – filtrácia, destilácia, kryštalizácia, extrakcia, chromatografia
- moderné prístrojové (inštrumentálne) metódy
Hraničné vedy link
Hraničné (interdisciplinárne) chemické disciplíny vznikajú prepojením chémie s inými prírodnými vedami – predovšetkým s fyzikou, biológiou a geológiou – pri komplexnom štúdiu prírodných javov:
- fyzikálna chémia – skúma chemické látky a procesy pomocou fyzikálnych metód a zákonov; okrem termodynamiky a kinetiky zahŕňa viacero špecializovaných odborov:
- elektrochémia – študuje vzájomné premeny chemickej a elektrickej energie, deje na elektródach, elektrolýzu, koróziu kovov a fungovanie galvanických článkov (batérií)
- fotochémia – skúma chemické reakcie vyvolané pôsobením svetla a elektromagnetického žiarenia
- koloidná chémia – zaoberá sa vlastnosťami špecifických nepravých roztokov (koloidných sústav, gélov, emulzií, pien či aerosólov) s veľkosťou rozptýlených častíc od 1 do 100 nm
- chemická fyzika a kvantová chémia – hraničné disciplíny na pomedzí chémie a atómovej fyziky, ktoré aplikujú princípy kvantovej mechaniky na výpočet stavov elektrónov v atómoch a molekulových orbitáloch
- teoretická a počítačová chémia – využíva matematické modely a výpočtovú techniku na vysvetľovanie chemických javov a kvantovo-chemické predpovedanie vlastností či štruktúry ešte nepripravených zlúčenín (napr. cielený dizajn nových liečiv)
- jadrová chémia a rádiochémia – skúmajú stabilitu atómových jadier, rádioaktivitu, jadrové reakcie a využitie rádionuklidov pri štúdiu chemických reakčných mechanizmov alebo v praxi
- biochémia – študuje chemické zloženie živých sústav, štruktúru biomakromolekúl, úlohu biokatalyzátorov (enzýmov) a metabolické premeny látok a energií v živých organizmoch; priamo z nej vychádza molekulárna biológia, chemická genomika a proteomika
- geochémia – spája chémiu s geológiou a mineralógiou; skúma chemické zloženie Zeme (hornín, minerálov, pôdy, hydrosféry) a zákonitosti migrácie a obehu chemických prvkov v prírode
Osobitné postavenie má environmentálna chémia (chémia životného prostredia). Je to interdisciplinárna veda, ktorá sleduje osud chemických látok v ovzduší, vode a pôde, analyzuje vplyv znečistenia (smog, kyslé dažde, toxické odpady, skleníkové plyny) a v rámci tzv. zelenej chémie navrhuje ekologické a udržateľné technologické postupy šetrné k prírode.
Aplikované vedy link
Aplikované chemické vedy prenášajú teoretické a laboratórne poznatky do priemyselnej výroby, poľnohospodárstva a medicíny s cieľom vyrábať užitočné materiály a skvalitňovať ľudský život:
- chemická technológia a chemické inžinierstvo – zaoberajú sa návrhom, optimalizáciou a riadením veľkokapacitných výrobných procesov, pri ktorých sa suroviny premieňajú na finálne priemyselné produkty (vrátane bezodpadových technológií a biotechnológií)
- technická a priemyselná chémia – zahŕňa úzko špecializované odbory podľa konkrétneho odvetvia priemyslu:
- petrochémia – spracovanie ropy a zemného plynu na pohonné látky, mazivá a základné organické suroviny
- hutnícka chémia (metalurgia) – výroba a spracovanie kovov a ich zliatin z rúd
- chémia silikátov – teória a výroba skla, keramiky, porcelánu a stavebných spojív (cement, vápno, betón)
- potravinárska chémia – skúma zloženie, technologické úpravy, konzerváciu a kvalitu potravín
- agrochémia – študuje chemické procesy v pôde a rastlinách; vyvíja priemyselné hnojivá pre výživu rastlín a prípravky na ochranu úrody pred škodcami (pesticídy)
- farmaceutická a medicínska chémia – venuje sa návrhu, syntéze, izolácii, kontrole čistoty (podľa prísnych kritérií liekopisov) a mechanizmu účinku liečiv a pomocných látok; jej špecializovanou vetvou je nukleárna farmácia, ktorá využíva rádiofarmaká na diagnostiku a liečbu nádorových ochorení
- materiálová chémia a nanotechnológie – moderné aplikované odbory zamerané na vývoj pokročilých funkčných materiálov, syntetických vlákien, kompozitov, polovodičov a štruktúr na úrovni nanometrov
