عشرة تفاعلات كيميائية غيرت شكل العالم

[Mary Naeem]

عشرة تفاعلات كيميائية غيرت شكل العالم

الكيمياء تحيط بنا كل يوم، من طهي طعامنا إلى قيادة سياراتنا إلى عملية الأيض الجسدي الخاصة بنا، لا يمكننا الهروب من إعادة الترتيب المستمر للذرات وتبادل الطاقة التي هي الكيمياء، وعلى الرغم من أن هذا التحول المستمر للذرات يشكل خلفية غير ملحوظة تقريبًا في حياتنا اليومية، إلا أن هناك بعض ردود الفعل التي غيرت بالفعل أو ستتغير الطريقة التي عاش بها الجنس البشري، والبعض بسبب ما يمكن أن نفعله معهم وآخرون بسبب ما أظهروه لنا، ولكن جميعها أصبحت معالم في رحلة البشرية، وفيما يلي 10 تفاعلات كيميائية غيرت العالم.

10- تخليق الأمونيا

النيتروجين هو أحد أهم عناصر الحياة، وربما يأتي بعد الكربون فقط، إنه مكون رئيسي في الحمض النووي، والحمض النووي الريبي، والبروتينات، والكيتين (بوليمر بيولوجي مشابه لـ السليلوز الموجود في الفطريات والحشرات والكركند والروبيان وبعض الأسماك)، ويعد النيتروجين أيضًا أحد أكثر العناصر وفرة على الأرض، حيث يشكل حوالي 78 بالمائة من الغلاف الجوي للأرض، ومع ذلك، يوجد النيتروجين في الغلاف الجوي وهو غير نشط للغاية وغير مفيد لمعظم أشكال الحياة، لذلك، يجب إصلاح النيتروجين عن طريق تحويله إلى أشكال أكثر تفاعلية، مثل الأمونيا والنترات والنتريت.

وفي الطبيعة، عادة ما يتم ذلك عن طريق بكتيريا متخصصة، وتشكل هذه البكتيريا علاقة تكافلية (بمعنى أن كلا الكائنين يستفيدان) مع العديد من النباتات، التي تعيش في عقيدات في الجذور، ومع ذلك، ليست كل النباتات تشكل هذه العلاقة ولا سيما في حالة الزراعة التجارية، فإن المحاصيل مثل الذرة لا تثبت النيتروجين ولكنها تمتصه من التربة، وإذا تمت زراعة محصول لا يثبت النيتروجين لعدة مواسم، فسيكون من الضروري إضافة الأسمدة، ومع ذلك، فإن القليل من المواد التي تحدث بشكل طبيعي لديها ما يكفي من النيتروجين للعمل كسماد، لذلك، لتلبية الطلب المتزايد على الغذاء، كان من الضروري إيجاد طريقة أفضل لإنتاج الأسمدة النيتروجينية.

9- بلمرة البولي إيثيلين

أحدث البلاستيك ثورة في العالم نظرًا لسهولة تشكيله، ومقاومة كل من الحرارة و الهجوم الكيميائي، كما أنه رخيص التصنيع، وقد أصبح البلاستيك مادة منتشرة في كل مكان في الحياة اليومية وخاصة البولي إيثيلين ويأتي في أشكال متنوعة مثل البولي إيثيلين عالي الكثافة والبولي إيثيلين منخفض الكثافة، ويستخدم في الأكياس البلاستيكية وزجاجات الحليب وحتى السترات الواقية من الرصاص، وتم اكتشاف البولي إيثيلين بالصدفة في عام 1933 من قبل عالمين يعملان في مختبر أبحاث الصناعات الكيميائية الإمبراطوري أثناء محاولتهما التفاعل مع الإيثيلين وبنزالديهايد، وبدلا من ذلك، تم اكتشاف مادة شمعية، والتي وجدت أنها بوليمر من الإيثيلين.

والبوليمر مادة تتكون من عدة وحدات متكررة، وتشمل البوليمرات الأخرى السليلوز والحمض النووي، وبحلول عام 1937، تم تطوير المادة كفيلم واستخدمها البريطانيون كعازل للأسلاك ومكونات الرادار في الحرب العالمية الثانية، ونظرًا لأنه جعل المكونات الكهربائية خفيفة بدرجة كافية لوضعها في الطائرات، فقد كان هيكلها وتصنيعها سرًا شديد الحراسة، واليوم، يعتبر البولي إيثيلين أكثر أنواع البلاستيك إنتاجًا في العالم، حيث تم تصنيع 81.8 مليون طن في عام 2015 وحوالي 100 مليون طن تم تصنيعها في عام 2018.

8- احتراق الهيدروجين

في أواخر القرن الثامن عشر، كانت الكيمياء علمًا متخلفًا، وكانت معظم الكيمياء متجذرة في العناصر اليونانية للهواء والماء والأرض والنار، مع إضافات حسب الضرورة لشرح الملاحظات وواحدة من أبرز الإضافات كان المفهوم الذي يوضح أن جميع المواد القابلة للاشتعال تحتوي على عنصر نار يسمى فلوجستون، وعند الاحتراق، يتم فقد هذا الفلوجستون في الهواء ويبدو أن هذا يفسر سبب وزن الفحم المحترق أقل من الفحم الأصلي، ومع ذلك، فشلت هذه النظرية في تفسير سبب اكتساب بعض المواد، مثل الفوسفور والكبريت، كتلة أثناء الاحتراق، وقد قام عالم فرنسي بإحراق ما كان يعرف بالهواء القابل للاشتعال (غاز الهيدروجين) بالهواء العادي، وكان المنتج ماء، واعتقد أن الماء يجب أن يكون مزيجًا من مادة موجودة في الهواء (وهو ما أسماه الأكسجين) والهواء القابل للاشتعال، كما دعم فرضيته عن طريق تحلل الماء إلى أكسجين وهيدروجين.

7- اختزال وأكسدة الزنك والفضة

عندما ولد أليساندرو فولتا في كومو بإيطاليا عام 1745، كانت الكهرباء ظاهرة غير مفهومة جيدًا وكان معروفاً أنه يمكن توصيل الكهرباء وأنها تأتي في شكلين (ما سيعرف فيما بعد بالإيجابي والسلبي)، وبعد ولادة فولتا بوقت قصير، أوضح بنجامين فرانكلين أن البرق هو في الواقع كهرباء، وعلى الرغم من أن فولتا لم يكن لديه تعليم جامعي، إلا أنه أصبح معروفًا على نطاق واسع كعالم في أيامه وفي عام 1775، طور الكهربي الدائم، وهو تحسين على الإصدارات السابقة من الكهربائي، ومع ذلك، كان اختراع آخر هو الأكثر أهمية بالنسبة له.

وفي عام 1780، ادعى العالم لويجي جالفاني أن عضلات الحيوانات تنتج الكهرباء عندما تتقلص وأطلق على هذه "الكهرباء الحيوانية" واعتقد أنها مختلفة عن الكهرباء العادية ولم يوافق فولتا على ذلك، مشيرًا إلى أن أرجل ضفدع جالفاني كانت متصلة معدنين مختلفين أثناء التجارب، وشرع فولتا في إثبات أنه من خلال تكديس أقراص معدنية متناوبة من الفضة والزنك، مع أقمشة مبللة بالمحلول الملحي بين كل قرص، وأنه يمكنه إنشاء تيار كهربائي ثابت بدون حيوانات، وسمح اختراع فولتا بإجراء دراسة أكثر دقة، ووضع الأساس للعمل الثوري لفاراداي في الكهرومغناطيسية.

6- توليف اليوريا

كانت الحيوية عبارة عن نظرية مفادها أن الأنظمة الحية تحكمها مبادئ مختلفة تمامًا عن الأنظمة غير الحية. بالإضافة إلى ذلك، كان يعتقد أن المكونات التي تتكون منها الأنظمة الحية لا يمكن أن تكون مصنوعة من مكونات غير حية وانتشر هذا الاعتقاد على نطاق واسع في القرن التاسع عشر واستخدم لشرح لماذا بدت العديد من الأنظمة الحية غير مفهومة مقارنة بالأنظمة غير الحية ولكن العالم الألماني فريدريش بوهلر غير ذلك.

وكان ووهلر معروفًا بالفعل بعزله للألمنيوم النقي في عام 1825، وكان يعمل على محاولة تصنيع سيانات الأمونيوم في عام 1828، ومع ذلك عندما تفاعل مع سيانات الفضة وكلوريد الأمونيوم في محاولة لإنتاج سيانات الأمونيوم، أنتج بدلاً من ذلك بلورات بيضاء، وحدد فيما بعد المادة على أنها يوريا وتم عزل اليوريا عام 1773 بواسطة الكيميائي الفرنسي هيلير مارين رويل، واستمر عمله في وضع الأساس بمجال الكيمياء العضوية.

5- تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR)

هو إلى حد بعيد التفاعل الأكثر تعقيدًا في هذه القائمة ولكنه من المحتمل أن يكون الأكثر فائدة وإثارة، وتم اختراع PCR في عام 1983 من قبل كاري موليس، الذي فاز في النهاية بجائزة نوبل لعمله وتعمل العملية عن طريق تسخين الحمض النووي بحيث ينفصل إلى شريطين فرديين (الحمض النووي مزدوج الشريطة) ثم يمكن ربط البادئات بخيوط الحمض النووي الفردية، وتلتصق الإنزيمات التي تسمى بوليميرات الحمض النووي في مواقع التمهيدي وتنسخ بقية خيوط الحمض النووي، ويمكن تكرار هذه العملية عدة مرات، حيث يؤدي كل تكرار نظريًا إلى مضاعفة عدد نسخ الحمض النووي الدقيقة.

وفتحت القدرة على استنساخ الحمض النووي الأبواب في العديد من المجالات، وسمح لعلماء الطب الشرعي بتطبيق التقنيات الجينية حتى لو لم يكن هناك سوى كمية صغيرة من المواد الجينية المتبقية في مسرح الجريمة، وفي الطب، يفيد في المساعدة على تحديد سبب العدوى، وفي البحث، كانت تقنية أساسية مستخدمة أثناء تسلسل الجينوم البشري وأبعد من ذلك، فهي الآن تقنية منتشرة في كل مكان في مختبرات الأحياء والكيمياء الحيوية في جميع أنحاء العالم.

4- ترطيب الدهون

كل شيء يبدأ بالفرق بين الدهون الحيوانية والدهون النباتية، وتميل الدهون في الحيوانات إلى أن تكون مشبعة، مما يعني أن كل الكربون الموجود في الدهون مرتبط بأكبر عدد من الذرات، وتميل الدهون في النباتات إلى أن تكون غير مشبعة، مما يعني أن بعض الكربون الموجود في تلك الدهون لم يكن مرتبطًا بأقصى عدد من الذرات، وفي عام 1902، طور ويلهلم نورمان عملية جعلت من الممكن إضافة الهيدروجين إلى الدهون غير المشبعة، والتي من شأنها أن تحولها إلى دهون مشبعة أو على الأقل دهون مشبعة بدرجة أكبر.

وفي عام 1909، حصلت شركة بروكتر آند جامبل على براءة اختراع نورمان، وبعد ذلك بعامين، أطلقوا سمن مصنوع في الغالب من زيت بذرة القطن المهدرج، والذي كان أرخص من شحم الخنزير القياسي، ومع ذلك، كانت هذه فقط البداية وبحلول عام 1979، تم هدرجة ما يقرب من 60 في المائة من جميع الدهون المستهلكة في الولايات المتحدة، ولكن كان هناك جانب مظلم لهدرجة وتحدث الأحماض الدهنية الطبيعية غير المشبعة بشكل حصري تقريبًا في تكوين رابطة الدول المستقلة، مما يتسبب في ثني جزيئات الدهون أو الالتواء فيها وعدم قدرتها على التوافق معًا أيضًا.

وهذا هو السبب في أن معظم الدهون غير المشبعة عبارة عن سوائل، ومع ذلك، أثناء الهدرجة تأخذ بعض الأحماض الدهنية غير المشبعة التكوين غير المشبع، وبدءًا من التسعينيات، أظهرت الأبحاث أن الاستهلاك العالي للدهون غير المشبعة أدى إلى آثار صحية ضارة، وبعد ذلك بوقت قصير، بدأت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية في تنظيم كمية الدهون المتحولة في الطعام، بل إن بعض المواقع حظرت هذه المواد، وأدى هذا إلى الانخفاض في نهاية المطاف في الدهون المهدرجة.

3- تدمير الأوزون

كانت تقنية التبريد الميكانيكي شائعة الاستخدام منذ سبعينيات القرن التاسع عشر على الأقل، ومع ذلك، كانت هناك مشكلة كبيرة حدت من التكنولوجيا في ذلك الوقت، وكانت معظم المبردات (المواد المستخدمة لنقل الحرارة من داخل الثلاجات إلى الخارج) إما شديدة السمية أو شديدة الاشتعال، لسوء الحظ، كان من الشائع نسبيًا أن يموت الناس بسبب تسرب غاز التبريد، ولحل هذه المشكلة، تضافرت الجهود لإيجاد مبرد سيكون أكثر أمانًا، وكانت النتيجة هي الفريون، وهو خليط من فئة من المواد الكيميائية تسمى مركبات الكربون الكلورية فلورية.

وكان الفريون آمنًا جدًا لدرجة أن مخترعه استنشقه مباشرة ثم نفخه على شمعة أمام الجمعية الكيميائية الأمريكية، ومع ذلك، كانت مركبات الكربون الكلورية فلورية لديها مشكلة غير معروفة في ذلك الوقت، ومع وجود العديد من الثلاجات التي تستخدم مركبات الكربون الكلورية فلورية، وصلت المادة الكيميائية بسرعة إلى مستويات كبيرة في الغلاف الجوي وعندما تتعرض للأشعة فوق البنفسجية في الغلاف الجوي العلوي، غالبًا ما تطلق مركبات الكربون الكلورية فلورية ذرة الكلور والكلور شديد التفاعل ويحفز تكسير الأوزون (O3) للأكسجين الجزيئي (O2)نظرًا لأن المحفزات تعمل فقط على تسريع معدل التفاعل ولا يتم استهلاكها في التفاعل، فقد يؤدي جزيء واحد من مركبات الكربون الكلورية فلورية إلى تدمير آلاف أو حتى ملايين جزيئات الأوزون، مما يسبب في استنفاد طبقة الأوزون على نطاق واسع.

2- ماء مع ثاني أكسيد الكربون

ربما يكون ثاني أكسيد الكربون معروف أكثر بدوره كغاز دفيئة، مع ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، ارتفعت كذلك متوسط درجات الحرارة العالمية، ومع ذلك، هناك جانب مظلم آخر لثاني أكسيد الكربون ويحدث كل يوم عندما نشرب الصودا، ويتفاعل ثاني أكسيد الكربون بشكل عكسي مع الماء لتكوين حمض الكربونيك ثم يتحلل بعض من حمض الكربونيك هذا إلى بيكربونات ثم أيونات كربونات أثناء إطلاق H + وهو السمة المميزة للأحماض التي تسمى أحماض، وهذا الحمض هو جزء من الإحساس الحاد بالصودا الطازجة.

ومع ذلك، يمكن لثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي أن يتفاعل بنفس الطريقة مع الماء في المحيط، وفي الواقع، يمتص المحيط ما يقرب من ربع ثاني أكسيد الكربون المنطلق كل عام، ونتيجة لذلك، انخفض الرقم الهيدروجيني لمياه المحيط السطحية بنحو 0.1 وحدة من الأس الهيدروجيني منذ بداية الثورة الصناعية، وهو ما يمثل زيادة بنسبة 30 في المائة في الحموضة، وفي حين أن هذه الزيادة في الحموضة تفيد بعض الكائنات الحية مثل الطحالب والأعشاب البحرية، إلا أنها ضارة للعديد من الكائنات الحية مثل المحار المحار والمحار والشعاب المرجانية.

1- التصبن

من المعروف إلى حد ما أن الزيت والماء لا يختلطان، والسبب في ذلك يتعلق بمفهوم يسمى القطبية وببساطة، جزيئات الماء قطبية وجزيئات الزيت ليست كذلك، ونظرًا لأن جزيئات الماء قطبية، فمن الأفضل أن تكون بجوار بعضها البعض بدلاً من وجود جزيء زيت غير قطبي، ومع ذلك، كما يعرف أي طباخ، يمكن أن يسبب ذلك مشكلة عندما يتعلق الأمر بتنظيف الأطباق ولن يختلط الشحم بالماء ويبقى على الطبق، والجواب هو الصابون تحتوي جزيئات الصابون على أجزاء قطبية وغير قطبية.

ويمتزج الجزء القطبي بالماء بينما يختلط الجزء غير القطبي بالزيت، مما يسمح للزيت بتكوين قطرات صغيرة في الماء يمكن إزالتها بسهولة أكبر والتفاعل المستخدم لصنع الصابون هو تفاعل التصبن وفي الأصل، كان الصابون يُصنع عن طريق تسخين الملح والرماد والدهون الحيوانية معًا في الماء وتم صنع أول صابون معروف باستخدام هذه العملية في بابل عام 2800 قبل الميلاد، ويُصنع الصابون اليوم عن طريق تفاعل هيدروكسيد الصوديوم أو هيدروكسيد البوتاسيوم مع الأحماض الدهنية (المشتقة من جزيئات الدهون).

ومع ذلك، ولأغراض أخرى غير النظافة الشخصية، فقد حلت المنظفات محل الصابون وتتشابه عوامل التطهير هذه مع الصابون، ولكنها عادةً ما تُشتق من البتروكيماويات ولها مزايا عديدة على الصابون وتميل إلى الاستمرار لفترة أطول دون أن تتحلل، وتميل أيضًا إلى أن تكون أكثر قابلية للذوبان في الماء البارد أو الماء العسر (الماء الذي يحتوي على نسبة عالية نسبيًا من الكالسيوم).