الرئيسية » الموسوعة الكيميائية » أهمية علم الكيمياء

أهمية علم الكيمياء

إن علم الكيمياء هو علم نشط و متطور أيضا ومتطور له أهمية الحيوية في عالمنا سواء في الطبيعة أو في المجتمع ، كما أن لعلم الكيمياء جذور قد تمتد آلاف السنين، ولكن كما سنرى فإن الكيمياء الحديثة و المبنية على أساليب لبحث العلمي السليم هي علم حديث إلى حد ما. و عليه فإننا سنناقش طريقة العلوم ، التي توفر إطارًا للبحث ليس فقط في الكيمياء ولكن في جميع العلوم الأخرى و بعد ذلك سوف نكتشف كيف يتعرف العلماء على الأشياء ويصفونها ثم سنقضي بعض الوقت في تعلم كيفية التعامل مع النتائج العددية للقياسات الكيميائية وحل المشكلات العددية.

الكيمياء علم القرن الحادي والعشرين
إن علم الكيمياء مختص بدراسة المادة والتغيرات التي تمر بها، و عادة ما يطلق على الكيمياء في كثير من الأحيان بالعلم المركزي ، لأن المعرفة الأساسية بالكيمياء ضرورية لطلاب العلوم تالحياتية والفيزياء والجيولوجيا والبيئة والعديد من فروع العلوم الاخرى . و في الواقع ، تعتبر الكيمياء أساسية لطريقة حياتنا فمن دون هذا العلن لكنا نعيش حياة قصيرة و في ظل ظروف بدائية إلى حد ما ، حيث لا سيارات و لا كهرباء و لا أجهزة الكمبيوتر و العديد من وسائل الراحة اليومية الأخرى.
و على الرغم من أن الكيمياء هي علم قديم كما ذكرنا سابقا، إلا أن أساسها الحديث قد وُضع في القرن التاسع عشر ، عندما مكنت التطورات الفكرية والتكنولوجية العلماء من تقسيم المواد إلى مكونات أصغر حجمًا وبالتالي شرح العديد من خصائصها الفيزيائية والكيميائية. التطور السريع للتكنولوجيا الحديثة بشكل متزايد على مدار القرن العشرين وفرت لنا وسائل أكبر لدراسة الأشياء التي لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة. وباستخدام الكمبيوتر وأجهزة المجهر الخاصة ، على سبيل المثال ، أمكن للكيميائيين تحليل بنية الذرات والجزيئات – وهي الوحدات الأساسية التي تستند إليها دراسة الكيمياء – وتصميم مواد جديدة ذات خصائص محددة ، مثل الأدوية والمنتجات الاستهلاكية الصديقة للبيئة.
ومع دخولنا القرن الحادي والعشرين ستستمر الكيمياء في لعب دور محوري في جميع مجالات العلوم والتكنولوجيا الاخرى و قبل الانغماس في دراسة المادة وتحولها ، دعونا ننظر في بعض الحدود التي يستكشفها الكيميائيون حاليًا . فأيا كانت أسبابك لدراسة الكيمياء العامة ، فإن المعرفة الجيدة بالموضوع ستمكنك بشكل أفضل من تقدير تأثير علم الكيمياء على المجتمع وعليك كشخص على وجه الخصوص .

الصحة والطب
هناك ثلاثة تطورات رئيسة في القرن الماضي مكنتنا من الوقاية من الأمراض وعلاجها. و هي تدابير الصحة العامة و التي أدت إلى إنشاء أنظمة صرف صحي لحماية أعداد كبيرة من الناس من الأمراض المعدية و الجراحة بالتخدير و التي مكنت الأطباء من علاج بعض الحالات المميتة مثل الزائدة الدودية المستحثة و ثالثا تطوير و استخدام اللقاحات والمضادات الحيوية التي جعلت من الممكن منع الأمراض التي تنتشر عن طريق الميكروبات. و حاليا يعد العلاج الجيني هو الثورة الرابعة في الطب. فعدة آلاف من الحالات المعروفة ، بما في ذلك التليف الكيسي والهيموفيليا ، تحدث بسبب أضرار جينية في جين واحد. كما أن العديد من الأمراض الأخرى ، مثل السرطان وأمراض القلب والإيدز والتهاب المفاصل ، تنجم إلى حد ما عن ضعف واحد أو أكثر من الجينات المشاركة في دفاعات الجسم. ففي العلاج الجيني ، يتم اقحام جين صحي محدد إلى خلية المريض لعلاج أو تخفيف هذه الاضطرابات. و لتنفيذ مثل هذا الإجراء ، يجب أن يكون لدى الطبيب معرفة جيدة بالخصائص الكيميائية للمكونات الجزيئية المعنية. و يعتمد فك شفرة الجينوم البشري و الذي يشتمل على كل المادة الوراثية في جسم الإنسان ويلعب دورًا أساسيًا في العلاج الجيني ، إلى حد كبير على التقنيات الكيميائية. كما يبحث الكيميائيون في صناعة الأدوية عن أدوية قوية ذات آثار جانبية قليلة أو معدومة لعلاج السرطان والإيدز والعديد من الأمراض الأخرى وكذلك الأدوية لزيادة عدد عمليات زرع الأعضاء الناجحة.

الطاقة والبيئة
تعتبر الطاقة هي نتيجة ثانوية للعديد من العمليات الكيميائية ، ومع استمرار زيادة الطلب على الطاقة ، سواء في البلدان المتقدمة تكنولوجيا أو في البلدان النامية ، يحاول الكيميائيون بنشاط إيجاد مصادر جديدة للطاقة. و تعد مصادر الوقود الأحفوري (الفحم والنفط والغاز الطبيعي) في الوقت الحالي من المصادر الرئيسية للطاقة، إلا إن الاحتياطيات المقدرة من هذه الأنواع من الوقود ستدوم 50 إلى 100 عام أخرى حسب معدلات الاستهلاك الحالية ، لذلك من الملح و الهام جدا أن نجد بدائل للطاقة.
تُعد الطاقة الشمسية بأن تكون مصدرا قابلا للتطبيق للطاقة في المستقبل. فسطح الأرض يستقبل كل عام حوالي 10 أضعاف الطاقة الناتجة من أشعة الشمس كما هو موجود في جميع الاحتياطيات المعروفة من الفحم والنفط والغاز الطبيعي واليورانيوم مجتمعة. لكن الكثير من هذه الطاقة «تُهدر» لأنها تُعاد إلى الفضاء. وعلى مدار الثلاثين عامًا الماضية ، أظهرت الجهود البحثية المكثفة أنه يمكن تسخير الطاقة الشمسية بشكل فعال بطريقتين. أحدهما هو تحويل ضوء الشمس مباشرة إلى الكهرباء باستخدام أجهزة تسمى بالخلايا الضوئية. والآخر هو استخدام أشعة الشمس للحصول على الهيدروجين من الماء، و يمكن بعد ذلك إدخال الهيدروجين في خلية وقود لتوليد الكهرباء. و على الرغم من أن فهمنا للطريقة العلمية لتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء قد تطورت الآن ، إلا أن التكنولوجيا لم تتحسن حتى الآن إلى درجة أننا نستطيع إنتاج الكهرباء على نطاق واسع بتكلفة مقبولة اقتصاديًا. و بحلول عام 2050 فقد تم التنبؤ بأن الطاقة الشمسية ستوفر أكثر من 50 في المئة من احتياجاتنا من الطاقة.
مصدر آخر محتمل للطاقة هو الانشطار النووي ولكن بسبب المخاوف البيئية المتعلقة بالنفايات المشعة الناتجة عن العمليات النووية فإن مستقبل هذه الصناعة غير مؤكد. و عليه يمكن أن يساعد الكيميائيون في ابتكار طرق أفضل للتخلص من النفايات النووية. كما يولد الاندماج النووي و هي العملية التي تحدث في الشمس والنجوم الأخرى ، كميات هائلة من الطاقة دون إنتاج الكثير من النفايات المشعة الخطرة. و في غضون 50 عامًا أخرى ، من المحتمل أن يكون الانصهار النووي مصدرًا غير معقول للطاقة.
و يرتبط إنتاج الطاقة واستخدام الطاقة ارتباطًا وثيقًا بجودة بيئتنا، فمن بين العيوب الرئيسية لحرق الوقود الأحفوري أنه ينتج عنه ثاني أكسيد الكربون وهو أحد غازات الدفيئة (أي أنه يشجع على تسخين الغلاف الجوي للأرض) إلى جانب ثاني أكسيد الكبريت وأكسيد النيتروجين ، مما يؤدي إلى المطر الحمضي والضباب الدخاني.
و باستخدام السيارات الموفرة للوقود والمحولات الحفازة الأكثر فعالية فإنه يجب أن نكون قادرين على تقليل انبعاثات السيارات الضارة بشكل كبير وتحسين جودة الهواء في المناطق التي تشهد حركة مرور كثيفة. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن تصبح السيارات الكهربائية و التي تعمل ببطاريات قوية وطويلة الأمد و السيارات هجينة و تعمل ببطاريات وبنزين هي الأكثر انتشارًا كما سيساعد استخدامها على تقليل تلوث الهواء إلى الحد الأدنى.

المواد والتكنولوجيا
لقد زودنا البحث والتطوير الكيميائي في القرن العشرين بمواد جديدة حسنت بشكل كبير من جودة حياتنا وساعدت في تطوير التكنولوجيا بطرق لا حصر لها. بعضا من تلك الأمثلة هي المبلمرات (بما في ذلك المطاط والنايلون) والسيراميك (المستخدم في تجهيزات المطابخ) والبلورات السائلة (مثل تلك الموجودة في الشاشات الإلكترونية) والمواد اللاصقة (المستخدمة في أوراق ملاحظات اللاصقة مثل Post-It) و الدهانات (على سبيل المثال ، طلاء اللاتكس).
فما هو الذي سيوجد في المتجر بالمستقبل القريب؟ الاحتمال القائم هنا هو الموصلات الفائقة عند درجة حرارة الغرفة. فالكهرباء يتم نقلها عن طريق الكابلات النحاسية ، والتي ليست موصلات مثالية وبالتالي يتم فقدان حوالي 20 في المائة من الطاقة الكهربائية في شكل حرارة ما بين محطة الطاقة ومنازلنا و هذا يعتبر مضيعة هائلة لطاقة. فالموصلات الفائقة هي مواد ليس لها مقاومة كهربائية وبالتالي يمكنها توصيل الكهرباء دون فقدان الطاقة. وعلى الرغم من أن ظاهرة الموصلية الفائقة عند درجات الحرارة المنخفضة للغاية معروفة منذ أكثر من 90 عامًا ، إلا أن هناك طفرة كبرى في منتصف الثمانينيات من القرن الماضي أثبتت أنه من الممكن جعل المواد التي تعمل بمثابة موصلات فائقة عند أو بالقرب من درجة حرارة الغرفة. فقد ساعد الكيميائيون في تصميم وتوليف المواد الجديدة التي تبشر بالخير في هذا المسعى. و لذلك ستشهد السنوات الثلاثين المقبلة استخدام الموصلات الفائقة عالية الحرارة على نطاق واسع في التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) والقطارات التي يتم رفعها والاندماج النووي أيضا .
و إذا كان علينا تسمية تطور تكنولوجي واحدٌ شكّل حياتنا أكثر من أي شيء آخر ، فسيكون ذلك و بلا منازع هو الكمبيوتر. إن «المحرك» الذي يدفع ثورة الكمبيوتر المستمرة هو المعالج الدقيق – رقاقة السيليكون الصغيرة التي ألهمت عددًا لا يحصى من الاختراعات ، مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة الفاكس. و عادة ما يتم الحكم على أداء المعالج الدقيق بالسرعة التي ينفذ بها العمليات الرياضية كعملية الجمع على سبيل المثال . أن وتيرة التقدم في صناعة المعالجات كبيرة لدرجة أنه منذ تم تقديمها منذ أول مرة ، تضاعفت المعالجات الدقيقة في السرعة كل 18 شهرًا. و تعتمد جودة أي معالجات دقيقة على نقاء رقاقة السيليكون وعلى القدرة على إضافة الكمية المطلوبة من المواد الأخرى و هنا يلعب الكيميائيون دورًا مهمًا في بحث وتطوير رقائق السيليكون.
و بالنسبة للمستقبل ، بدأ العلماء في استكشاف احتمال «الحوسبة الجزيئية» ، أي استبدال السيليكون بالجزيئات، و تتمثل المزايا في أنه يمكن صنع جزيئات معينة للاستجابة للضوء بدلاً من الإلكترونات و بالتالي يكون لدينا أجهزة كمبيوتر بصرية بدلاً من أجهزة كمبيوتر إلكترونية.
و مع الهندسة الوراثية المناسبة ، يمكن للعلماء توليف هذه الجزيئات باستخدام الكائنات الحية الدقيقة بدلاً من المصانع الكبيرة و سيكون لأجهزة الكمبيوتر الضوئية أيضًا سعة تخزين أكبر بكثير من أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية.

الغذاء والزراعة
كيف يمكن إطعام سكان العالم الذين يتزايد عددهم بسرعة؟ ففي البلدان الفقيرة ، تشغل الأنشطة الزراعية حوالي 80 في المائة من القوى العاملة وينفق نصف ميزانية الأسرة المتوسطة على المواد الغذائية، و هذا بالطبع يعتبر استنزاف هائل لموارد الأمة. فالعوامل التي تؤثر على الإنتاج الزراعي هي ثراء التربة والحشرات والأمراض التي تضر بالمحاصيل ، والأعشاب الضارة التي تتنافس على المواد الغذائية. و إلى جانب الري ، يعتمد المزارعون على الأسمدة والمبيدات لزيادة غلة المحاصيل. منذ الخمسينيات من القرن الماضي و قد كان العلاج للمحاصيل التي تعاني من تفشي الآفات هو التطبيق العشوائي للمواد الكيميائية القوية، وغالبًا ما كان لهذه التدابير آثارا ضارة و خطيرة على البيئة. فحتى الاستخدام المفرط للأسمدة ضار بالأرض والماء والهواء.
و لتلبية متطلبات الغذاء في القرن الحادي والعشرين ، يجب ابتكار طرق جديدة ومبتكرة في مجال الزراعة، و لقد ثبت بالفعل أنه من خلال التكنولوجيا الحيوية ، يمكن زراعة محاصيل أكبر وأفضل، و يمكن تطبيق هذه التقنيات على العديد من المنتجات الزراعية المختلفة ، ليس فقط من أجل تحسين الغلات ، ولكن أيضًا من أجل زيادة المحاصيل كل عام. فمثلا من المعروف أن بكتيريا معينة تنتج جزيئا بروتينيًا سامًا يقتل يرقات آكلات الأوراق. إن دمج الجين و الذي ينتج هذه السموم في المحاصيل يمكّن النباتات من حماية نفسها و بالتالي لا يكون هناك اي داع لاستخدام المبيدات الزراعية . و ايضا وجد الباحثون طريقة لمنع الحشرات الضارة من التكاثر، فالحشرات تتواصل مع بعضها البعض عن طريق إصدار جزيئات خاصة تسمى الفيرومونات والتفاعل معها. و من خلال تحديد و تصنيع الفيرومونات المستخدمة في التزاوج ، من الممكن أن تتداخل مع الدورة التناسلية الطبيعية للآفات الشائعة ؛ على سبيل المثال ، عن طريق حث الحشرات على التزاوج سريعًا أو خداع الحشرات الأنثوية في التزاوج مع ذكور عقيمة . علاوة على ذلك ، يمكن للكيميائيين ابتكار طرق لزيادة إنتاج الأسمدة الأقل ضررًا بالبيئة والمواد التي تقتل الأعشاب بشكل انتقائي.

مقالات قد تفيدك :

عن Akram Amir El Ali

استاذ الكيمياء التحليلية ومصمم غرافيك

شاهد أيضاً

مبلمرات غير متجانسة Heteropolymer

و هو مبلمر ينتج عن اتحاد مونوميرين مختلفين أو أكثر في نفس سلسلة المبلمر . …

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.