Delen:
10 Chemische reacties die de wereld veranderden
Chemie omringt ons elke dag. Van het koken van ons voedsel tot het besturen van onze auto's tot ons eigen lichaamseigen metabolisme, we kunnen niet ontsnappen aan de constante herschikking van atomen en de uitwisseling van energie die chemie is.
Hoewel deze constante verschuiving van atomen een bijna onmerkbare achtergrond in ons dagelijks leven vormt, zijn er enkele reacties die echt hebben veranderd, of zullen veranderen, hoe de mensheid heeft geleefd. Sommige vanwege wat we ermee konden doen. Anderen vanwege wat ze ons hebben laten zien. Maar het werden allemaal mijlpalen in de reis van de mensheid.
Hier zijn 10 chemische reacties die de wereld hebben veranderd.
10 Ammoniak-synthese
Stikstof is een van de belangrijkste elementen voor het leven, misschien alleen achter koolstof. Het is een sleutelcomponent in DNA, RNA, eiwitten en chitine (een biologisch polymeer dat lijkt op cellulose dat voorkomt in schimmels, insecten, kreeften, garnalen en sommige vissen). Stikstof is ook een van de meest overvloedige elementen op aarde, goed voor ongeveer 78 procent van de atmosfeer van de aarde. Er bestaat echter stikstof in de atmosfeer in de vorm van N2, dat in hoge mate niet-reactief is en niet bruikbaar voor de meeste levensvormen.
Daarom moet stikstof worden gefixeerd door het om te zetten in meer reactieve vormen, zoals ammoniak, nitraten en nitrieten. In de natuur wordt dit meestal gedaan door gespecialiseerde bacteriën. Deze bacteriën vormen een symbiotisch (wat betekent dat beide organismen er baat bij hebben) relatie met veel planten, levend in knobbeltjes in de wortels.
Niet alle planten vormen echter deze relatie. In het bijzonder in het geval van commerciële landbouw, wordt door gewassen zoals maïs stikstof niet vastgemaakt maar uit de grond opgenomen. Als een gewas dat stikstof niet fixeert, gedurende meerdere seizoenen wordt gekweekt, is het nodig om meststof toe te voegen. Er zijn echter weinig natuurlijke materialen die voldoende stikstof hebben om als meststof te fungeren. Om aan de toenemende vraag naar voedsel te voldoen, was het daarom nodig om een betere manier te vinden om stikstofkunstmest te produceren.
Het Haber-Bosch-proces was de eerste stap. Het proces, ontwikkeld door Fritz Haber en Carl Bosch in 1918, gebruikte zowel hoge temperaturen en hoge drukken als een ijzerkatalysator om een grote hoeveelheid ammoniak te produceren uit gasvormig waterstof en stikstof.
Omdat ammoniak relatief goedkoop te produceren was, werd het een levensvatbaar alternatief voor natuurlijke meststoffen. Tegenwoordig is ammoniak de op een na meest geproduceerde chemische stof per tonnage, na slechts zwavelzuur.
9 Polymerisatie van polyethyleen
Kunststof heeft de wereld revolutionair veranderd. Omdat ze gemakkelijk kunnen worden gegoten, bestand zijn tegen zowel hitte als chemische invloeden en goedkoop te maken zijn, zijn kunststoffen in het dagelijks leven een alomtegenwoordig materiaal geworden, met name polyethyleen. Het wordt in verschillende vormen gebruikt, zoals hogedichtheidspolyethyleen en polyethyleen met lage dichtheid, en wordt gebruikt in plastic zakken, melkflessen en zelfs kogelwerende vesten.
Polyethyleen werd per ongeluk ontdekt in 1933 door twee wetenschappers die voor het Imperial Chemical Industries Research Laboratory werkten terwijl ze probeerden om ethyleen en benzaldehyde te laten reageren. In plaats daarvan werd een wasachtig materiaal ontdekt, dat een polymeer van ethyleen bleek te zijn. Een polymeer is een stof die bestaat uit vele zich herhalende eenheden. Andere polymeren omvatten cellulose en DNA.
Tegen 1937 was het materiaal ontwikkeld als een film en werd het gebruikt als isolatie voor draden en radarcomponenten door de Britten in de Tweede Wereldoorlog. Omdat het elektrische componenten licht genoeg maakte om in vliegtuigen te plaatsen, was de structuur en productie ervan een zeer bewaakt geheim. Tegenwoordig is polyethyleen het meest geproduceerde plastic ter wereld, met 81,8 miljoen ton gemaakt in 2015 en naar schatting bijna 100 miljoen ton in 2018.
8 Verbranding van waterstof
Aan het einde van de 18e eeuw was chemie een onderontwikkelde wetenschap. De meeste scheikunde was geworteld in de Griekse elementen van lucht, water, aarde en vuur, met toevoegingen die nodig waren om waarnemingen te verklaren.
Een van de meest opvallende toevoegingen was phlogiston. Het concept, ontwikkeld door Georg Stahl, stelde dat alle brandbare stoffen een vuurelement bevatten, flogiston genaamd. Bij verbranding zou deze flogiston in de lucht verloren gaan. Dit leek te verklaren waarom verbrande houtskool minder woog dan de originele houtskool. Deze theorie kon echter niet verklaren waarom sommige stoffen, zoals fosfor en zwavel, tijdens de verbranding massa hebben gewonnen.
Voer Antoine Lavoisier in, een Franse wetenschapper die erg sceptisch was over de theorie van flogiston. In misschien zijn beroemdste experiment verbrandde hij wat bekend stond als ontvlambare lucht (waterstofgas) met normale lucht. Het product was water. Lavoisier geloofde dat water een combinatie moet zijn van een stof in de lucht (die hij zuurstof noemde) en de ontvlambare lucht.
Hij ondersteunde zijn hypothese verder door water in zuurstof en waterstof te ontbinden. In 1789 werd Lavoisier's nieuwe systeem van chemie volledig gepubliceerd in zijn leerboek Traite elementaire de Chimie ("Elements of Chemistry"), die het Griekse systeem hebben verlaten en de basis hebben gelegd voor de moderne chemie.
7 Vermindering en oxidatie van zink en zilver
Toen Alessandro Volta in 1745 in Como, Italië, werd geboren, was elektriciteit een slecht begrepen fenomeen. Het was bekend dat elektriciteit kon worden geleid en dat het in twee vormen kwam (wat later bekend zou worden als positief en negatief).
Kort na de geboorte van Volta werd door Benjamin Franklin aangetoond dat bliksem eigenlijk elektriciteit was. Hoewel Volta geen opleiding op universitair niveau had, werd hij in zijn tijd algemeen bekend als wetenschapper. In 1775 ontwikkelde hij de eeuwigdurende elektroforus, een verbetering ten opzichte van eerdere versies van de elektroforus. Een andere uitvinding was echter zijn belangrijkste.
In 1780 beweerde wetenschapper Luigi Galvani de claim dat dierenspieren elektriciteit produceerden wanneer ze zich contracteerden. Hij noemde dit "dierlijke elektriciteit" en geloofde dat het anders was dan gewone elektriciteit.
Volta was het daar niet mee eens en merkte op dat Galvani's kikkerpoten tijdens de experimenten met twee verschillende metalen waren verbonden. Volta toonde verder aan dat hij door alternerende metalen schijven van zilver en zink, met pekel doordrenkte doeken tussen elke schijf te stapelen, een constante elektrische stroom kon creëren zonder dieren.
Het werd echter onmiddellijk erkend dat Volta's uitvinding veel nuttiger was dan alleen het oplossen van zijn geschil met Galvani. Alle voorgaande bronnen van elektriciteit konden het alleen in bursts genereren. Door het genereren van een constante stroom, liet Volta's uitvinding toe om rigoureuzer te studeren, wat de basis legde voor het revolutionaire werk van Faraday in elektromagnetisme.
6 Synthese van ureum
Vitalisme was een theorie dat levende systemen werden beheerst door totaal andere principes dan niet-levende systemen. Bovendien werd aangenomen dat de componenten waaruit het levende systeem bestond niet gemaakt konden worden van niet-levende componenten. Dit geloof werd wijd verspreid in de 19e eeuw en werd gebruikt om uit te leggen waarom veel levende systemen onbegrijpelijk leken in vergelijking met niet-levende systemen.
De Duitse wetenschapper Friedrich Wohler veranderde dat echter. Reeds bekend om zijn isolatie van zuiver aluminium in 1825, was Wohler bezig om in 1828 ammoniumcyanaat te synthetiseren. Toen hij echter zilvercyanaat en ammoniumchloride liet reageren in een poging om het ammoniumcyanaat te produceren, produceerde hij in plaats daarvan witte kristallen. Later identificeerde hij de stof als ureum.
Ureum was in 1773 geïsoleerd door de Franse chemicus Hilaire-Marin Rouelle. Dit betekende dat Wohler juist een organische verbinding had gesynthetiseerd, die een van de basisprincipes van vitalisme weerlegde. Wohler's werk zou vervolgens de basis leggen voor het veld van de organische chemie.
5 PCR
Polymerase-kettingreactie (PCR) is veruit de meest gecompliceerde reactie op deze lijst, maar potentieel de meest bruikbare en opwindende. PCR werd in 1983 uitgevonden door Kary Mullis, die uiteindelijk een Nobelprijs voor zijn werk won.
Het proces werkt door DNA te verwarmen zodat het zich in twee afzonderlijke strengen scheidt. (DNA is dubbelstrengs.) Vervolgens kunnen primers aan de afzonderlijke DNA-strengen worden gehecht. Enzymen genaamd DNA-polymerasen hechten zich op de primerplaatsen en repliceren de rest van de DNA-streng. Dit proces kan vele malen worden herhaald, waarbij elke iteratie theoretisch het aantal exacte DNA-kopieën verdubbelt.
Het vermogen om DNA te repliceren opende deuren op vele gebieden. Het liet forensische wetenschappers toe om genetische technieken toe te passen, zelfs als er maar een kleine hoeveelheid genetisch materiaal over was op de plaats delict. In de geneeskunde is het nuttig om de oorzaak van infecties te achterhalen. In onderzoek was het een essentiële techniek die werd gebruikt tijdens de sequentiebepaling van het menselijk genoom.
Naast deze is het nu een alomtegenwoordige techniek in biologie en biochemie laboratoria wereldwijd.
4 Vethydratatie
Heb je een pot Crisco in je voorraadkast? Zou het je verbazen als ik je vertelde dat Crisco het resultaat was van een van 's werelds meest revolutionaire ontwikkelingen op het gebied van voedingstechnologie?
Het begint allemaal met het verschil tussen dierlijke vetten en plantaardige vetten. Vetten bij dieren hebben de neiging verzadigd te zijn, wat betekent dat alle koolstof in het vet is gebonden aan het maximale aantal atomen. Vetten in planten hebben de neiging om onverzadigd te zijn, wat betekent dat een deel van de koolstof in die vetten niet is gebonden aan het maximale aantal atomen.
In 1902 ontwikkelde Wilhelm Normann een proces dat het mogelijk maakte om waterstof toe te voegen aan onverzadigde vetten, waardoor ze zouden veranderen in verzadigde vetten of op zijn minst meer verzadigde vetten. In 1909 nam Procter & Gamble het octrooi van Normann over. Twee jaar later brachten ze Crisco uit, een bakvet dat voornamelijk bestond uit gehydrogeneerde katoenzaadolie, wat goedkoper was dan standaardreuzel.
Dat was echter nog maar het begin. Tegen 1979 was ongeveer 60 procent van alle vetten die in de Verenigde Staten werden geconsumeerd gehydrogeneerd. Maar er was een duistere kant aan hydrogenering. Natuurlijke onverzadigde vetzuren komen bijna uitsluitend voor in de cis-configuratie, waardoor de vetmoleculen een buiging of knik in zich hebben en ook niet in staat zijn om samen te passen. Dit is de reden dat de meeste onverzadigde vetten vloeistoffen zijn.
Tijdens de hydrogenering nemen sommige onverzadigde vetzuren de trans-configuratie op. Beginnend in de jaren 1990, toonde onderzoek aan dat een hoge consumptie van transvetten resulteerde in nadelige gezondheidseffecten. Kort daarna begon de FDA de hoeveelheid transvetten in voedsel te regelen en sommige plaatsen hebben deze stoffen zelfs verboden. Dit leidde tot de uiteindelijke afname van gehydrogeneerde vetten.
3 Ozonvernietiging
Mechanische koelingstechnologie was al sinds 1870 gebruikt. Er was echter een enorm probleem dat de technologie op dat moment beperkte. De meeste koelmiddelen (stoffen die worden gebruikt om warmte van de koelkast naar de binnenkant te verplaatsen) waren ofwel zeer giftig of licht ontvlambaar. Helaas was het relatief gebruikelijk dat mensen omkwamen als gevolg van lekkend koelmiddel.
Om dit probleem op te lossen hebben Frigidaire, Dupont en General Motors hun krachten gebundeld om een koelmiddel te vinden dat veel veiliger zou zijn. Het resultaat was Freon, een mengsel van een klasse chemicaliën die chloorfluorkoolstoffen (CFK's) worden genoemd. Freon was zo veilig dat de uitvinder het direct inhaleerde en het daarna uitblies op een kaars voor de American Chemical Society.
CFK's hadden echter op dat moment een onbekend probleem. Met zoveel koelkasten die CFK's gebruikten, bereikte de chemische stof snel aanzienlijke niveaus in de atmosfeer.Bij blootstelling aan ultraviolet licht in de bovenste atmosfeer zouden CFK's vaak een chlooratoom afgeven.
Chloor is zeer reactief en katalyseert de afbraak van ozon (O3) in moleculaire zuurstof (O2). Aangezien katalysatoren alleen de snelheid van een reactie versnellen en niet bij de reactie worden verbruikt, kan één molecuul van een CFC leiden tot de vernietiging van duizenden of zelfs miljoenen ozonmoleculen, waardoor de ozonlaag op grote schaal uitput.
Tegenwoordig worden CFK's sterk gereguleerd door het Montreal Protocol en worden ze niet langer als koelmiddel gebruikt. Ze zijn vervangen door een vergelijkbare klasse verbindingen die bekend staan als fluorkoolwaterstoffen (HFK's). Hoewel HFK's ook nadelen hebben (ze zijn een zeer sterk broeikasgas), zijn er geen nieuw ontwikkelde koelmiddelen die zowel niet-toxisch als niet-ontvlambaar zijn.
2 Water met kooldioxide
Koolstofdioxide is misschien het best bekend voor zijn rol als broeikasgas. Naarmate de niveaus van koolstofdioxide in de atmosfeer toenamen, nam ook de gemiddelde wereldtemperatuur toe. Er is echter een tweede donkere kant aan kooldioxide en het gebeurt elke dag wanneer we een frisdrank drinken.
Koolstofdioxide reageert reversibel met water om koolzuur te vormen. Een deel van dit koolzuur breekt vervolgens af in bicarbonaat en vervolgens carbonaationen terwijl H + wordt afgegeven (H + vrijgeven is de bepalende eigenschap van zuren die Bronsted-Lowry-zuren worden genoemd). Dit zuur maakt deel uit van de scherpe sensatie van een frisse frisdrank.
Kooldioxide in de atmosfeer kan echter op dezelfde manier reageren met het water in de oceaan. In feite absorbeert de oceaan ongeveer een kwart van de jaarlijks vrijkomende koolstofdioxide.
Als gevolg hiervan is de pH van het oppervlaktewater van de oceaan met ongeveer 0,1 pH-eenheden gedaald sinds het begin van de industriële revolutie, wat een bijna 30 procent toename van de zuurgraad is. Hoewel deze toename van de zuurgraad gunstig is voor sommige organismen zoals algen en zeegrassen, is het schadelijk voor veel organismen zoals oesters, kokkels, schaaldieren en koraal.
Eén VN-rapport schatte dat verzuring van de oceaan tegen 2100 wel $ 1 biljoen zou kunnen kosten.
1 Verzeping
Het is vrij algemeen bekend dat olie en water niet mengen. De reden hiervoor heeft te maken met een concept dat polariteit wordt genoemd. Simpel gezegd, watermoleculen zijn polair en oliemoleculen niet. Omdat watermoleculen polair zijn, is het voor hen gunstiger om naast elkaar te staan dan naast een niet-polair oliemolecuul. Zoals elke kok weet, kan dit een probleem zijn als het gaat om het schoonmaken van de vaat. Het vet zal zich niet vermengen met het water en blijft op het gerecht.
Het antwoord is zeep. Zeemoleculen hebben zowel polaire als niet-polaire delen. Het polaire deel vermengt zich met het water terwijl het niet-polaire deel zich vermengt met de olie, waardoor de olie kleine druppels in het water kan vormen die gemakkelijker kunnen worden verwijderd.
De reactie die wordt gebruikt om zeep te maken, is de verzepingsreactie. Oorspronkelijk werd zeep gemaakt door zout, as en dierlijke vetten samen in water te verwarmen. De eerste bekende zepen werden gemaakt met behulp van dit proces in Babylon in 2800 voor Christus. Tegenwoordig wordt zeep gemaakt door natriumhydroxide of kaliumhydroxide te laten reageren met vetzuren (die zijn afgeleid van vetmoleculen).
Voor andere doeleinden dan persoonlijke hygiëne zijn zepen echter grotendeels vervangen door detergentia. Deze reinigingsmiddelen zijn vergelijkbaar met zepen, maar zijn meestal afkomstig van petrochemicaliën en hebben verschillende voordelen ten opzichte van zepen. Ze hebben de neiging om langer mee te gaan zonder te ontbinden. Ze hebben ook de neiging om meer oplosbaar te zijn in koud water of hard water (water dat een relatief hoog calciumgehalte heeft), wat betekent dat we niet zo vaak dat vervelende zeepresten zullen zien.