(TIỂU LUẬN) lịch sử hóa học thời kỳ phát triển sơ khai của hóa học

LỊCH SỬ HĨA HỌC Tập tài liệu cơng trình biên dịch tập thể lưu học sinh Đại học cơng nghệ hóa Nga mang tên Mendeleev (hồn thành năm 2012) từ “История химия” với mục đích phổ biến hiểu biết lịch sử phát triển Khoa học Hóa học tới bạn trẻ Việt Nam Hy vọng sách nguồn cảm hứng để nhen lên lửa đam mê nghiên cứu Hóa học hướng lập nghiệp sau Với tôn vậy, tác giả tài liệu hy vọng phổ biến rộng rãi giới học sinh, sinh viên Việt Nam Nghiêm cấm hành vi chép nhằm thu lợi cá nhân Tieu luan Phần I Thời kỳ phát triển sơ khai hóa học “Nghệ thuật thần bí hóa học” đời Ai Cập cổ đại Tại nước Châu Âu, từ “hóa học” phát âm giống nhau: “chemistry” – tiếng Anh, “chemie” – tiếng Đức, “chimie” – tiếng Pháp, “химия” – tiếng Nga, “chimica” – tiếng Italia, “quimica” – tiếng Tây Ban Nha Bồ Đào Nha, “kemi” – tiếng Thụy Sỹ Đan Mạch, “kimya” – tiếng Thổ Nhĩ Kỳ Cho tới nay, người ta chưa xác định thời điểm xuất từ “hóa học” ý nghĩa ban đầu Nhiều nhà nghiên cứu nghiêng giả thuyết cho rằng, “hóa học” xuất phát từ “chemia” – “Đất nước đen”; Hy Lạp cổ đại, từ dùng để Ai Cập theo màu đất đồng sông Nil Trong tiếng Hy Lạp cổ tồn nhiều từ mà phát âm giống Ví dụ, thảo y học, mô tả phương pháp làm thuốc, từ “xymoc” nghĩa nước hoa Trong “xyma” lại có nghĩa “đúc”, từ “hóa học” có liên quan tới việc đúc kim loại Trong tiếng Hy Lạp đại có từ “chemesis” nghĩa “trộn” – thao tác quan trọng phần lớn q trình hóa học Thuật ngữ “hóa học” theo nghĩa “pha trộn”, “rót” lần nhà triết học thực nghiệm tự nhiên học Zosimos Panopolis (350 – 400) dùng vào kỷ IV V, ông coi người sáng lập “giả kim thuật” 1.1 Sự đời hóa học giới cổ đại Cho tới nay, việc tranh luận thời điểm đời hóa học với tư cách mơn khoa học chưa có hồi kết Liệu cho khoa học hóa học xuất sau nhà khoa học giải thích ngun nhân đặc điểm diễn phản ứng hóa học khơng? Hoặc đời hóa học tính xã hội bắt đầu đặt vấn đề nghiên cứu cách có ý thức trước nhà khoa học? Tieu luan 1.1.1 Quan niệm hóa học thời cổ đại Thật khó để nói rằng, đâu tổ tiên bắt đầu quan tâm tới biến đổi chất Rõ ràng, lúc đầu người sử dụng q trình hóa học diễn tự nhiên đối tượng sinh học; ví dụ lên men, thối rữa Từ nguyên liệu có xuất sứ động vật hay thực vật, người cổ đại tạo nhiều sản phẩm, ví dụ rượu vang (từ nước nho), bia, dấm, chất béo động vật thực vật, nước hoa, dầu thơm, thuốc men Sau chế ngự lửa, người học cách nấu thức ăn nướng bánh mỳ từ ngũ cốc, sử dụng q trình hóa học nung, nấu nóng chảy sản xuất gốm thủy tinh, đúc kim loại Các phát khảo cổ nam Thổ Nhĩ Kỳ, phát nhiều chi tiết làm từ đồng chì, di lị nấu kim loại, hình vẽ màu tường cho phép đặt giả thuyết rằng, người có có hiểu biết hóa học định gần 10 nghìn năm trước Người ta cho rằng, gần – nghìn năm trước, lị luyện kim văn minh cổ đại – Trung Quốc, Ai Cập, Ấn Độ, Mesopotamia tạo kim loại từ quặng, sản xuất phẩm nhuộm, nung đồ gốm Thành phần thủy tinh Hy Lạp cổ đại, có niên đại gần 6000 năm, khơng khác so với thành phần thủy tinh Khoảng 3000 năm TCN Ai Cập cổ đại nấu lượng lớn đồng sử dụng than làm chất khử Cũng thời gian này, Mesopotamia nấu sắt, đồng, bạc chì Việc nắm vững kỹ thực hành q trình hóa học phức tạp xảy đúc đồng, đồng thau sắt trở thành bước phát triển quan trọng khơng với hóa học mà với luyện kim; điều làm thay đổi mặt chất điều kiện sống người hoạt động họ Tại dân tộc phương Đông Địa trung hải, nghệ thuật nhuộm đạt trình độ cao Các nghệ nhân sử dụng bột màu thuốc nhuộm: khống chất (vơ cơ) – thổ hồng, hồng đơn, xanh rỉ đồng, hữu – chàm, thiên thảo, màu huyết dụ Họ sử dụng chất gia cố màu cho vải chất thuộc da để chế biến da (phèn chua, sắt sulphat) Trong văn minh cổ đại người ta tạo vật liệu xây dựng (gạch) chất kết dính (vơi) Tieu luan Hóa học, mơn khoa học tự nhiên khác, đời từ nhu cầu sống hăng ngày Hiểu biết q trình hóa học khác tích lũy Ở Ai Cập cổ, bí nghề thủ cơng tạo giàu có, giữ cẩn thận, bí kíp đặc quyền thuộc sở hữu thầy tư tế Bởi vậy, thủ công nghiệp hóa học coi thuộc thần thánh bao trùm thần bí Chính Ai Cập cổ, hiểu biết hóa học thời gian tập trung Điều chứng minh văn tự ghi cuộn giấy papirus giữ đến Từ quốc gia cổ đại Chemia – “Đất nước đen”, nghề thủ công dựa trình hóa học dần phổ biến nước khác khu vực Cận Đông, Hy Lạp đế quốc La Mã Trong huyền thoại thần thoại tìm thấy chứng khẳng định rằng, giới cổ đại, hiểu biết hóa học rộng Trong thần thoại Promete, vị thần tặng lửa cho người, kể việc học tập trình luyện kim người, kinh Cựu Ước có nhắc tới sáu kim loại: sắt, chì, thiếc, đồng, bạc vàng 1.1.2 Nguyên tử luận cổ đại Thuyết nguyên tử - phân tử khái niệm nguyên tố tảng hóa học đại Tuy nhiên quan niệm thực khác với quan niệm tương tự xuất giới cổ đại Trong thời gian người tích lũy hiểu biết từ thực tiễn, lập luận cấu tạo vật chất mang tính trực quan xây dựng cấp độ tư triết học tự nhiên Các nhà khoa học cổ đại cho rằng, vật tạo từ nguyên tố Ngay kỷ thứ XII TCN Trung Quốc cổ đại biết đến hệ thống “các nguyên tố bản”: nước, lửa, gỗ, vàng đất Tại Mesopotamia xuất ý tưởng cặp đối nghịch: nam nữ, nóng lạnh, ẩm khơ Nhà khoa học nhà tư tưởng Hy Lạp cổ đại Phales Milet (cuối kỷ VII – đầu kỷ thứ VI TCN) người tư tưởng với ông (trường phái lonic) gọi nước nguyên tố nhất, cho rằng, nước “là khởi Tieu luan nguyên tất cả” Thế giới, theo Phales, tính đa dạng hỗn độn, mà thể thống Sau 200 năm nhà triết học, nhà thơ, bác sỹ nhà hoạt động trị Empedocles Agrigent (490 – 430 TCN) phát triển thuyết nguyên tố Ông cho rằng, giới có bốn ngun tố bản: nước, lửa, khơng khí đất, nguyên tố xuất từ chất ban đầu nhất; từ nguyên tố giải thích đối tượng (sự vật) khác giới tự nhiên Empedocles cố gắng xác định tính bất biến nguyên tố như: độ nóng, độ lạnh, độ khơ độ ẩm Ơng khơng loại trừ rằng, xuất mảnh vụn nhỏ “các nguyên tố ban đầu”, mà từ chất khác hình thành nhờ liên kết chúng Khi tương tác mảnh vụn diễn ngẫu nhiên mà “theo chất vật thể” theo nguyên nhân “luyến ái” “căm ghét” Sự liên kết hay phân chia chúng liên quan tới có mặt “lỗ” định “tính đối xứng” “ái lực lựa chọn” Từ nguyên tố ban đầu Empedocles đặc biệt ý tới lửa Ông cho rằng, “chất lửa” hồ tan khơng khí Platon cho rằng, nguyên tố có dạng tam giác xuất “phân hủy” hình đa diện tam giác tứ giác (hình 1.1) Khi có khác kích thước, tam giác nguyên tố tương tác không ngừng với tạo chất khác Triết gia, nhà toán học tiếng Hy Lạp cổ đại Platon (428 – 348 TCN, theo số tài liệu khác 427 – 347 TCN) sáng lập trường học Aphin vào khoảng năm 387 TCN, cố gắng nhận thức chất mảnh (hạt) “nguyên tố” Ông cho tương tác chúng giống thay đổi hình dạng Tieu luan Hình lập phương Hình hai mươi mặt Hình bát diện Hình tứ diện Đất Nước Khơng khí Lửa Hình 1.1 Platon cho rằng, thành phần nguyên tố tam giác xuất “phân hủy” hình đa diện tam giác tứ giác Khi có khác biệt kích thước, tam giác nguyên tố không ngừng tương tác với tọa đa dạng vật chất Các triết gia cổ đại, dựa ý nghĩ thông thái quy luật chung tự nhiên, giả định rằng, tất chất tạo thành từ phần nhỏ phân chia – nguyên tử Các triết gia hy lạp Lepkip (500 – 440 TCN) học trò ông Democrit Abder Fracki (460 – 370 TCN) coi người sáng lập thuyết nguyên tử Theo hệ thống giới hai ông xây dựng, vật tạo từ chân không nguyên tử - chuyển động mãi chân không, dày đặc đồng chất, có hình dạng khác Tồn vật thể hình thành nhờ liên kết nguyên tử Sử thi quan niệm triết học nhà sáng lập ngun tử luận tìm thấy trường ca triết gia, nhà thơ La Mã cổ đại Tita Lukresia Kara (99 – 56 TCN) “Về chất vật” Sau ví dụ đưa có chứng nói tồn nguyên tử: “…Và cuối cùng, bờ biển, sóng vỡ tan, Chiếc áo ẩm ướt phơi khô đi; Tuy nhiên, không thấy ẩm chìm đó, Tieu luan Cũng khơng biết rõ biến khỏi sức nóng Nghĩa là, nước tan vỡ thành mn mảnh nhỏ, Mà ta thấy chúng mắt thường” Trong nguyên tử luận Lepkip Democrit có ý tưởng sâu sắc Sự kết hợp số không lớn nguyên tử - nguyên tố phân chia – theo nguyên tắc định tạo thành hợp chất – phân tử làm giới vật chất trở lên đa dạng Trong kỷ thứ IV TCN triết gia nhà thực nghiệm tự nhiên Aristot Stagirit (384 – 322 TCN) trình bày hệ thống hóa học nguyên tố dựa nguyên lý cặp đơi: khơ - ẩm nóng – lạnh Đối với bốn nguyên tố “vật chất nguyên thủy” – đất, khơng khí, nước lửa – ơng nhiên cứu nguyên lý cặp đôi nhận bốn tổ hợp cặp đơi: lửa khơ nóng; khơng khí ấm ẩm; nước ẩm lạnh; đất lạnh khô Sự đa dạng giới vật, tượng, theo Aristot, chứng tỏ nguyên tố chuyển hóa thành ngun tố khác Các cơng trình Aristot dịch sang tiếng Arập từ thời cổ đại có ảnh hưởng lớn tới nhà giả kim thuật Arập Sau Aristot, trung tâm hiểu biết hóa học dần dịch chuyển từ Aphin Alexandria – trung tâm bn bán văn hóa giới Phương Đông, Alexander Maxedoan (356 – 323 TCN) xây dựng vào năm 332 – 331 TCN Tại đền thờ “museion” Alexandria – Viện hàn lâm khoa học – nhà khoa học làm việc tòa nhà đặc biệt người ta đặt nhiều kỳ vọng vào hóa học Cũng người ta dựng lên đền thờ Serapis – đền thờ sống, chết chữa bệnh Câu hỏi mở rộng: 1) Platon cho rằng, có đất ngun tố khơng thay đổi, cịn lửa, khơng khí nước chuyển hóa lẫn nhau; ví dụ, “hạt nước gặp khơng khí hay lửa bị chia nhỏ thành hạt lửa hai hạt nước” Có thể giải thích nhận định Platon sử dụng mẫu hình học “các nguyên tố” (hình 1.1)? Tieu luan 2) Luận điểm lý thuyết Aristot nhà giả kim sử dụng? 3) Quan điểm nhà triết học tự nhiên Hy Lạp tồn khoa học nay? 1.2 Hóa học thời kỳ trung cổ Vào kỷ thứ IV – V kiến thức hóa học đưa vào Tiểu Á Tại Syri xuất trường triết học nhằm phổ biến ý tưởng triết học tự nhiên Hy Lạp hiểu biết hóa học giới Arập Lúc từ “chemist” – “nhà hóa học” đưa thêm tiền tố “al” để trở thành “alchemist” – “nhà giả kim thuật” Ý tưởng “giả kim”, xuất vào kỷ thứ III – IV Ai Cập, trở thành đề tài nhà giả kim thuật Giả kim thuật xu hướng triết học văn hóa, thần bí ma thuật với thủ cơng nghệ thuật hịa trộn với nhau: suốt nghìn năm trăm năm nhà giả kim thuật tập trung vào việc tìm kiếm phương pháp biến đổi kim loại thường – sắt, chì đồng – thành kim loại đắt tiền – vàng, bạc – nhờ chất đặc biệt – “hòn đá triết học” kỳ diệu 1.2.1 Giả kim thuật Hy Lạp Ai Cập Ý tưởng biến nguyên tố thành nguyên tố khác dựa trên luận điểm triết học Aristot Nhu cầu lớn vàng tạo quan tâm lớn với nhà thực nghiệm tự nhiên trung cổ Vì chủ nghĩa thần bí trở thành hệ tư tưởng nhà giả kim, nên họ nghiên cứu việc luyện kim qua lăng kính chiêm tinh ma thuật Bởi kỷ công nguyên, kim loại điều chế gọi tên theo thiên thể Trong thời kỳ thảo giả kim thuật lưu lại tới sử dụng ngôn ngữ quy ước vay mượn từ kiến thức thần bí Hy Lạp Phương Đơng Trong tài liệu có mơ tả phương pháp điều chế kim loại quý cách biến đổi kim loại thường Do bốn kim loại Aristot không đủ để lý giải việc luyện kim mặt hóa học, nhà giả kim Hy Lạp Ai Cập bắt đầu xem xét thủy ngân (biểu tượng tính kim loại) lưu huỳnh (biểu tượng tính cháy) thành phần Tieu luan (nguyên tố) kim loại Nhờ “mạ vàng” “mạ bạc” mà từ kim loại thường tiến tới điều chế chất sơn nhuộm có màu vàng trắng giống kim loại đắt tiền Các nhà giả kim cho toàn giới tự nhiên có sức sống Bởi họ tin rằng, kim loại lớn lên chín lịng đất Vàng coi kim loại chín hồn tồn, cịn kim loại thường chưa chín Các nhà giả kim không muốn chờ kim loại chín tác dụng lực tự nhiên, họ cố gắng làm tăng tốc trình nhờ nghệ thuật hóa học Khi lịng tham khao khát giàu có trở thành thói xấu ngăn cản nhà giả kim nhận thức giới tự nhiên Các nhà giả kim thường sử dụng tên gọi tiếng lĩnh vực hoạt động như, nữ thần Isys người Ai Cập cổ, thần Hephaestus người Hy Lạp cổ, chí người sáng lập nghệ thuật giả kim huyền thoại Hermes Lúc đầu, nhà thờ thiên chúa chống lại giả kim thuật xem thứ tà ma Tuy nhiên sau họ xem xét lại có thái độ rộng lượng với nhà giả kim Một số điểm Kinh thánh nhắc đến việc số tác giả Kinh thánh nhà giả kim tác giả kinh Phúc âm Joan Việc theo đuổi “hịn đá triết học” cách vơ ích để điều chế kim loại quý lại giúp họ hiểu sâu rộng q trình hóa học sử dụng thủ công Các nhà giả kim dùng hỗn hống để làm vàng, sản xuất gốm thủy tinh, phát số hợp chất hóa học mới, ví dụ amoni clorua Họ phát minh hàng loạt dụng cụ hóa học, có thiết bị để chưng cất Câu hỏi mở rộng: 1) Xuất phát từ đâu mà nhà giả kim lại lựa chọn thủy ngân lưu huỳnh nguyên tố đầu tiên? 2) Những phương pháp thực biến đổi kim loại thành kim loại khác? Tieu luan 1.2.2 Giả kim thuật Ả rập Sau chinh phục Ai Cập vào kỷ VII, người Ả Rập không tiếp nhận văn hóa Đơng Hy Lạp, có nguồn gốc từ trường Alexandria cổ đại, mà tự nâng cao tầm hiểu biết theo thúc đẩy nhu cầu thực tế Sự nở rộ kiến thức hóa học đánh dấu cuối kỷ VIII, thầy thuốc Ả Rập bắt đầu sử dụng dược phẩm bào chế đặc biệt Trong thời gian Baghdad mở hiệu thuốc giới Nhà khoa học tiếng thời điểm nhà y học giả kim thuật Ả Rập Jabir ibn Haiyang (Gayan), biết đến tên latinh Geber (721-815) Ông xem tác giả hàng trăm công trình khoa học, mơ tả q trình hóa học khác thí nghiệm chuyển hóa chất Trong luận Heber tìm thấy kiến giải lý thuyết kim loại vay mượn từ nhà giả kim thuật Hy lạp-Ai Cập Khi quan sát chuyển hóa kim loại, ông nghĩ rằng: kim loại tinh khiết chứa nhiều thủy ngân, tinh khiết chứa nhiều lưu huỳnh Ơng tin kim loại hình thành lịng đất từ lưu huỳnh thủy ngân tác động hành tinh Heber lập trường dạy khoa học Baghdad Ông coi người sáng lập phương pháp hóa học thực nghiệm (nghiên cứu áp dụng phương pháp chưng cất, kết tinh, v.v…) Ngược lại với Heber, Avicenna, nhà thực nghiệm tự nhiên, bác sĩ nhà triết học Trung Á bác bỏ khả chuyển hóa lẫn kim loại Trong đó, ơng tin kim loại q phát triển lịng trái đất ảnh hưởng mặt trăng mặt trời Mặc dù Avicenna khơng đề xuất lý thuyết hóa học nào, ông người nghi vấn mục tiêu nhà giả kim thuật Các nhà giả kim thuật Ả Rập giữ gìn thành cơng kiến thức, mà họ truyền lại từ Ai Cập Hy Lạp, để sau lại thâm nhập vào châu Âu Đồng thời họ mở cách thức việc nghiên cứu tự nhiên Tieu luan thể khác thành phần DNA khác nhau, phận khác thể chúng giống Chargaff cho rằng, số adenine luôn số cytosine DNA, không phụ thuộc vào nguồn gốc DNA (quy luật Chargaff) Phát kiến Chargaff chìa khóa giải đáp cấu trúc DNA Vịng xoắn đơi DNA đưa vào năm 1953 nhà bác học người Mỹ J.D Watson nhà bác học người Anh F.Crick Họ đặt giả thiết DNA đựợc cấu tạo từ cặp dây xoắn liên kết với liên kết hidro Trong sợi DNA đựợc tạo thành nucleotide phân bố theo trật tự định Mỗi nucleotide sợi ghép đôi với nucleotide đối diện sợi thứ hai theo qui luật bổ sung Khi giải thích với trợ giúp khái niệm tổng hợp ma trận, Crick Watson xác lập nên chế chép phân tử DNA trình phân chia tế bào Cơng trình nghiên cứu họ đặt móng cho di truyền học xuất phát minh quan trọng kỷ XX Nhà lý sinh học Maurice Hugh Frederick Wilkin với nhà sinh hóa học Crick Watson trao giải thưởng Nobel lĩnh vực sinh lý học y tế vào năm 1962 Câu hỏi: Khả nghiên cứu hóa học hóa sinh có ranh giới nào? Việc sử dụng phương pháp hóa học hóa sinh có triển vọng gì? 7.1.4 Địa hóa học Ảnh hưởng qua lại hóa học khoáng vật học bắt nguồn nào? Dấu hiệu tác động tích cực hóa học khống vật học xuất vào kỷ XIV – XV, axit vô phát hiện, thông qua chúng người ta biết số thơng tin thành phần khống vật khai thác chúng Vào kỷ XVIII, M.V.Lomonosov, cơng trình nghiên cứu khống vật Tieu luan học bắt đầu làm cho hóa học khống vật học xích lại gần Trong cơng trình nghiên cứu “ tầng trái đất” ( năm 1763) Lomonosov đưa nhìn định luật tồn tương tác lẫn khoáng vật tuổi mỏ khoáng sản Lomonosov người ý nghĩa chất hữu dầu mỏ, than đá than bùn Các cơng trình nghiên cứu nhà hóa học lĩnh vực khống vật học vào XVIII dẫn đến phân loại khoáng vật học sở thành phần hoá học chúng phát minh thành phần khoáng vật Nghiên cứu hóa học thành phần khống vật có giá trị lớn hóa học, tạo điều kiện cho việc phát minh nhiều nguyên tố hóa học Cuối kỷ XVIII đầu kỷ XIX đời nhiều cơng trình lớn M.G Klaprot “ nhận thức hóa học khống vật”, bắt nguồn kết việc tiếp cận phân tích hóa học khống vật học Cùng lúc đó, bắt đầu có phát triển khoa học tinh thể - tinh thể học, liên kết phương pháp phân loại khoáng vật với cấu trúc tinh thể chúng Vào năm 1814 Y.Ya.Bertselius xuất sách “ kinh nghiệm học tập hệ thống khoa học khoáng vật học thơng qua việc ứng dụng lý thuyết điện hóa học thuyết tỷ lệ hóa học” Ơng đề xuất ý tưởng khoáng vật tuân theo định luật tỷ lệ hóa học chúng phân loại sở thành phần hóa học tỷ lệ thành phần Thành công nhà hóa học việc tổng hợp chất vơ tạo cú hích nghiên cứu điều kiện tạo nên khoáng vật tự nhiên việc tái q trình phịng thí nghiệm Từ kỷ XIX bắt đầu phát triển phương pháp phân tích khống vật sở tính tốn điều kiện tự nhiên Năm 1911 tổng hợp kim cương từ cacbon phân dã nhiệt, lần miêu tả thí nghiệm Tuy nhiên phải đến năm 1953 – 1954 tổng hợp kim cương điều kiện nhân tạo thực (ở Thụy điển Mỹ) điều kiện áp suất 50 GPa nhiệt độ 2000°C, tức gần với điều kiện trình xảy lịng đất Tieu luan Hiện nay, nhiều khống vật thu điều kiện nhân tạo ví dụ như: đá saphia, đá rubi, ngọc thạch Cuối kỷ XIX đời quy luật phân bố phát tán nguyên tố vỏ đất, vị trí chúng bảng hệ thống tuần hoàn D.I.Mendeleev Đầu kỷ XX quy luật ứng dụng rộng rãi nghiên cứu địa chất khai khống Cùng lúc nhà hóa học, khống vật học tinh thể học Vladimir Ivanovich Vernadsky (1863 – 1945) phát triển khái niệm khoa học – địa hóa học “ khoa học lịch sử nguyên tố trái đất” Ơng khơng tán thành quan điểm cho khống vật khơng thay đổi, mà phần tạo nên hệ tự nhiên Ông cho tự nhiên diễn trình chuyển hóa tương hỗ qua lại lẫn khống vật, thành phần tính chất chúng thay đổi tác động môi trường xung quanh Vernadsky người ý đến vai trò chất hữu – tất thực vật, sinh vật vi sinh vật trái đât – lịch sử chuyển hóa, tập trung phân tán phân tử hóa học Ơng tập trung ý đến số sinh vật khả tích lũy sắt, silicium, calcium, nguyên tố hóa học khác, tham gia vào q trình tạo nên khống sản, vi sinh vật đóng vai trị quan trọng việc phá hủy đá Vernadsky khẳng định “giải mã sống dựa vào việc nghiên cứu thể sống Để giải chúng cần ý đến nguồn gốc ban đầu chúng vỏ đất” Khi nghiên cứu vai trò sinh vật sống trái đất, Vernadsky đến kết luận tất oxy khơng khí sản phẩm hoạt động sống thực vật có màu xanh lục Nghiên cứu nhà khoa học lĩnh vực hoạt động địa chất sinh vật sống dẫn tới hình thành ngành khoa học – địa sinh hóa học Vernadsky cho bầu sinh ảnh hưởng tiến khoa học phát triển công nghiệp chuyển thành noosphere (quyển trí tuệ) Trong điều kiện này, tác động điều hịa tự nhiên xã hội mối liên hệ chặt Tieu luan chẽ quy luật tự nhiên với quy luật tư quy luật kinh tế - xã hội Vernadsky dành nhiều quan tâm đến vấn đề sinh thái Câu hỏi: Những tiến khoa học xảy trước đời địa hóa học? Các phương pháp xác định tuổi khoáng vật đá, cấu tạo thành phần hóa học chúng xuât vào kỷ XX? 7.1.5 Hóa học vũ trụ Tại hóa học vũ trụ ngành khoa học đời vào kỷ XX? Cùng với chất có mặt trái đất, nhà tự nhiên học cịn ý đến chất ngồi vũ trụ có mặt trái đất dạng thiên thạch Các phân tích hóa học thiên thạch tiến hành vào cuối kỷ XVIII đầu kỷ XIX Kết thành phần thiên thạch vật chất trái đất giống phân tử Việc phát minh phân tích quang phổ mang lại khả nghiên cứu thành phần vật chất xa vũ trụ, phải nói đến mặt trời Bằng phương pháp người ta nghiên cứu chất mặt trời, lớp ngồi bầu khí hành tinh Cụ thể mặt trời, người ta phát nguyên tố Heli Phân tích quang phổ mặt trời cấu tạo từ hidro heli Việc phát phóng xạ tự nhiên nhân tạo với hạt dẫn tới đời thuyết cháy hạt nhân vào cuối năm 30 kỷ XX Cháy hạt nhân giải phóng lượng lượng khổng lồ tạo nên tất phân tử hóa học Một bước quan dẫn đến việc đời thuyết phát minh đồng vị nặng hidro – hidro nặng (là sản phẩm biến đổi giai đoạn đầu hidro sao) nhà hóa lý học người Mỹ Harold Clayton Urey (1893 – 1981) vào năm 1932 Phát hidro nặng trao giải thưởng Nobel vào năm 1934 Trên sở đó, dựa vào thành phần đồng vị khác oxy vỏ sò Urey nhiệt độ đại dương thời trung cổ thay đổi Vào Tieu luan năm 1950 phịng thí nghiệm ơng thực thí nghiệm phóng điện qua hỗn hợp amoniắc metan, kết aminoaxit tạo thành Điều chứng tỏ khả chúng tổng hợp bầu khí Vào năm 20 kỷ XX, lần quy luật phân bố phân tử thiên thạch đưa ra, sau năm 50 Urey đưa khả biện giải thơng tin thành phần hóa học hành tinh sở lý thuyết nguồn gốc “lạnh” chúng từ bụi đám mây Năm 1956 nhà địa hóa học Xơ viết Aleksandr Pavlovich Vinogradov (1895 – 1975) kết luận giai đoạn hình thành hành tinh hệ mặt trời diễn q trình tách chất lỏng chất khí, điều dẫn đến việc tạo nên lớp vỏ bên ngồi chúng: Thạch quyển, thủy khí Vinogradov nghiên cứu hàm lượng vai trò nguyên tố vi lượng thể sống, tác động vi sinh vật nên khống vật Ơng tách phương pháp sinh địa hóa học để tìm kiếm khoáng sản Vinogradov sáng tạo khuynh hướng – địa hóa học chất đồng vị Cùng với cộng tác viên xác định tuổi tuyệt đối trái đất Sự phát triển ngành khoa học vũ trụ mở khả nghiên cứu trực tiếp chất vũ trụ Ví dụ xác lập phân bố rộng rãi đá bazan bề mặt mặt trăng, kim hỏa, trực tiếp xác định thành phần khí kim hỏa Khẳng định ý tưởng đưa trước thống vật chất hệ mặt trời, nguồn gốc hành tinh từ hạt đám bụi mây, vai trị hoạt động núi lửa việc hình thành lớp vỏ hành tinh Câu hỏi: Tính đắn học thuyết hình thành tất phân tử hóa học từ hidro chứng thực phương pháp nào? Triển vọng cho phát triển hóa học vũ trụ? Tieu luan 7.2 Những hướng nghiên cứu hóa học Điều thúc đẩy phát triển cho hướng nghiên cứu hóa học? Theo Leonardo da Vinci nói: “Nơi mà thiên nhiên tạo công trình có người, họ sử dụng tài ngun thiên nhiên để tạo cơng trình mới” Trong hóa học đại với phương pháp nghiên cứu tổng hợp chất nhất, chất sáng tạo khoa học phát huy nhiều 7.2.1 Phương pháp vật lý hóa học Những phương pháp coi phương pháp vật lý? Hiện để nghiên cứu chất (đặc biệt cấu trúc mức chuyển biến) việc sử dụng đơn phương pháp hóa học chất lượng số lượng chưa đủ Hóa học kỷ XX bao gồm loạt phương pháp vật lý có liên quan với khả tác động lên hóa chất xạ điện từ với tần số khác hay chùm hạt gia tốc Các thơng tin lấy từ đặc tính xạ xuyên qua chất hay phản lại chất, từ xạ thứ cấp phát mẫu Các phương pháp quang phổ hóa học xuất vào kỷ XIX Năm 1859-1860 R Bunsen Kirchhoff G Đã phát triển phương pháp quang phổ phân tích Ban đầu để nghiển cứu người ta sử dụng phần tia nhìn thấy tia cực tím phổ điện từ, tương ứng với di chuyển lượng tử electron phía ngồi ngun tử Sau ranh giới tần số mở rộng thêm tần số thấp cao Năm 1881, hóa học lần áp dụng phương pháp xquang phổ bắt đầu mở rộng Khu vực hồng ngoại phổ điện từ tương ứng với dao động nguyên tử phân tử hay tinh thể Do tần số dao động phụ thuộc vào Tieu luan xếp tương đối nguyên tử, phương pháp sử dụng để nghiên cứu cấu trúc chất Sau phát B Roentgen vào năm 1895, tia mang tên ông (tia X-quang) sử dụng để nghiên cứu chất hóa học Năm 1912, nhà vật lý William Henry Bragg (1862-1942) thiết kế thiết bị quang phổ X-quang nghiên cứu cấu trúc tinh thể loạt chất vơ Do đó, ơng ta đặt tảng cho phương pháp phân tích quang phổ X-quang cấu trúc X-quang Cùng với người mình, nhà vật lý William Lawrence Bragg (1890-1971), họ nghiên cứu hàng loạt chất kali natri clorua rắn, fluorit, sulfua kẽm sắt, kim cương, than chì, đồng Dựa nghiên cứu tinh thể hợp chất vô nhóm nguyên tử riêng biệt mà coi phân tử Kết luận gây bất ngờ, trước nhà hóa học tin vật thể phức tạp tạo thành phân tử Các nghiên cứu U.G.Bregga trở thành nên tảng cho phương pháp hóa học thể rắn đại Với nghiên cứu cấu trúc tinh thể cách sử dụng X-quang, hai cha nhà Bragg trao giải Nobel vào năm 1915, giải thưởng vật lý Khoáng sản đầu tiên, phát vào năm 1932 nhờ tia Xquang, đặt theo tên ông William H Bragg mang tên breggit Vào năm 1920 cách phân tích X-quang lần xác định cấu trúc chất hữu cellulose Năm 1946-1950, W.L Bragg với nhà vật lý người Anh J.D Bernal nhà hóa học người Mỹ L Pauling đặt tảng cho việc phân tích cấu trúc protein Từ năm 1950 để nghiên cứu cấu trúc chất, với nhiễu xạ xạ Xquang sử dụng nhiễu xạ electron Hiện nay, phân tích X-ray phương pháp quan trọng để nghiên cứu cấu trúc chất vô hữu Nhiều chương trình máy tính tạo để xử lý cách nhanh chóng đáng tin cậy liệu thí nghiệm tọa độ xác nguyên tử vật liệu tinh thể Tieu luan Sự bắt đầu phát triển việc phân tích khối phổ ký thực vào năm 1910, thí nghiệm J Thomson Ơng nghiên cứu chùm hạt mang điện tích, tách theo khối lượng điện tích điện trường từ trường, quang phổ ghi lại ảnh Thiết bị khối phổ ký thiết kế vào năm 1918 Bằng cách sử dụng phương pháp phân tích thành phần đồng vị nguyên tố, nghiên cứu gốc tự Thiết bị khối phổ ký đưa vào sản xuất hàng loạt vào năm 1940 Sự kết nối thiết bị khối phổ ký với thiết bị sắc ký thực vào năm 1959 thiết bị tỏa nhiệt vào năm 1983 mang lại hội để nghiên cứu hỗn hợp phức tạp dễ bay chất khơng bay Việc phát phóng xạ tự nhiên chất đồng vị nhân tạo sở cho phương pháp chất thị Năm 1923, nhà hóa học vật lý Hungary George Heveiem (1885-1966) lần ứng dụng rađi chất phóng xạ thị để nghiên cứu phân bố chì thực vật Ông phát triển phương pháp pha loãng đồng vị áp dụng loạt đồng vị phóng xạ để nghiên cứu q trình hóa sinh Vào năm 1936 với nhà hóa học Hungary H Levy, ơng phát triển phương pháp phân tích neutron kích hoạt Với cơng trình sử dụng chất đồng vị phát nguyên tử đánh dấu cho việc nghiên cứu q trình hóa học ơng Hevesy trao giải Nobel Hịa bình vào năm 1943 Sau đồng vị phóng xạ sử dụng rộng rãi cho việc nghiên cứu trình hóa sinh, chế phản ứng liên quan đến chất hữu vơ cơ, phân tích định lượng Trong trình nghiên cứu tác động từ trường lên chất năm 1940 kỷ XX, tượng cộng hưởng thuận từ (EPR) cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) phát ra, trở thành tảng cho phương pháp nghiên cứu cấu trúc hợp chất hóa học tốc độ phản ứng hóa học Trong 1980, phát triển nhanh chóng phương pháp quang phổ chụp cắt lớp NMR ngành y phục vụ cho việc chẩn đoán bệnh phức tạp Năm 1958, nhà vật lý người Đức Rudolf Mossbauer phát tượng vật lý mới, phát xạ hấp thụ 7-lượng tử hạt nhân nguyên Tieu luan chất rắn - hiệu ứng Mossbauer Hai năm sau, phổ Mossbauer sử dụng hóa học Phương pháp cung cấp cho nhà nghiên cứu nghiều thông tin kết hợp với giản đơn tương đối thí nghiệm với tảng lý thuyết Dựa theo quang phổ, đặc biệt, nhìn thấy khác biệt chất liên kết hóa học Câu hỏi Tại nghiên cứu đại kết luận cấu trúc chất đưa sau so sánh kết thu từ phương pháp khác nhau? Những tượng vật lý sở cho phương pháp nghiên cứu cấu trúc tính chất chất hóa học? 7.2.2 Hóa học cao phân tử Các nhà hóa học vào cuối kỷ XX đạt thành cơng việc tổng hợp hợp chất với đặc tính mong muốn? Sau tổng hợp chất hóa học đầu tiên, người ta thường nhắc tới tổng hợp urê nhà khoa học F Wohler vào năm 1828, thu số lượng lớn phân tử vật liệu khơng có tự nhiên Chúng tạo xếp nguyên tử thành tổ hợp cấu trúc Dựa khả tách tạo thành số liên kết hóa trị, nhà nghiên cứu phát triển lên nhiều kỹ thuật để tạo cấu trúc phân tử phức tạp Trong số thành tựu xuất sắc tổng hợp hữu bao gồm, ví dụ tổng hợp vitamin B12, thực năm 1970 đầu kỷ XX ông R Woodward với tham gia khoảng 100 nhân viên Một nhà hóa học cách điều khiển liên kết cộng hóa trị, họ quay sang nghiên cứu tương tác liên kết khơng cộng hóa trị ngun tử Việc nghiên cứu mang tầm quan trọng lớn hệ thống sinh học, với quy trình nhận dạng, tương tác, vận chuyển điều chỉnh cụ thể Tieu luan Năm 1894, E Fischer xây dựng nguyên tắc “key-lock”, ngụ ý tảng việc nhận dạng phân tử trùng khớp hạt phản ứng Sự liên kết chọn lọc cặp giải thích dựa theo lý thuyết phối hợp, đề xuất A Werner cuối kỷ XIX Ý tưởng việc phân tử không phản ứng với nhau, không liên kết, thuộc bác sĩ người Đức, nhà vi khuẩn học nhà hóa sinh Paul Ehrlich (18541915), người vào năm 1906 đưa khái niệm receptor Ông người đưa đề xuất giải thích phản ứng miễn dịch phương pháp hóa học Với cơng trình trên, ơng với I Metchnikoff nhận giải thưởng Nobel Sinh lý học vào năm 1908 Trong thập niên 1930 để mơ tả phối hợp liên kết bão hịa phân tử (ví dụ, acid acetic dimer) sử dụng khái niệm “cao phân tử” Nghiên cứu tương tác yếu khơng cộng hóa trị liên quan đến phát triển phương pháp vật lý đại nghiên cứu cấu trúc tính chất: hồng ngoại, tia cực tím, đặc biệt quang phổ NMR, khối phổ ký nhiễu xạ X-quang Các khái niệm hóa học siêu phân tử đại bao gồm khái niệm cố định (liên kết), nhận dạng phối hợp Lĩnh vực hóa học bắt đầu phát triển với nghiên cứu liên kết chọn lọc kim loại kiềm hợp chất hữu tự nhiên tổng hợp Các nghiên cứu thực nhà hóa học người Mỹ Charles Pedersen (1904-1989), năm 1962 ông thu ester mạch vịng macro, có khả tạo thành phức chất với muối nguyên tố kiềm Sau đó, ơng tổng hợp nhiều hợp chất tương tự, mà ơng đặt đên ête kraun, hình dạng chúng giống vương miện Các hợp chất “chủ”, khoang chúng chứa “khách” liên kết lực tương tác phân tử Thuật ngữ “siêu phân tử hóa học” đưa vào năm 1978 nhà hóa học người Pháp Jean-Marie Pierre Len định nghĩa “hóa học vượt ngồi giới hạn phân tử, mô tả cấu trúc phức tạp, kết việc phối hợp Tieu luan hai (hoặc hơn) hạt liên kết với lực tương tác phân tử.” Trong năm 1970 kỷ XX Len hình học lượng bổ sung quy luật để tạo thành cao phân tử Năm 1987 C Pedersen, D Cram JM Len trao giải Nobel đóng góp định hóa học cho việc phát triển hợp chất macro mạch vòng với khả chọn lọc tạo thành phức cất phân tử dạng “chủ” Nền tảng hóa học cao phân tử tương tác khơng cộng hóa trị với tính chọn lọc cao lập trình, dẫn đến việc cụm phân tử hình thành tự phát Hiện nay, cao phân tử hóa học bao gồm khơng tượng hóa học mà lĩnh vực khoa học khác – từ vật lý (pha rắn lỏng có xếp) đến sinh học (các cụm phân tử tự nhiên) Câu hỏi 1.Nếu nguyên tử phân tử coi "chữ" "từ" ngơn ngữ hóa học, vai trị cao phân tử nào? J.-M Len đưa ý tưởng việc tạo sống điều kiện thí nghiệm dựa nguyên tắc khác so với sống, tạo thiên nhiên Các nguyên tắc được? 7.2.3 Cơng nghệ sinh học Những chất sản xuất từ sinh vật sống từ trình sinh học? Biến đổi chất thực khơng chất hóa học, mà cịn sử dụng sinh vật sống Những trình thường xảy nướng bánh, nấu rượu, bia, mát, giấm sản phẩm sữa, chế biến da sợi thực vật Các nhà nghiên cứu quan tâm nhiều tới trình lên men, mà rượu tạo từ đường Trong luận nhà giả kim châu Âu tiếng Basili Valentine Tieu luan (thế kỷ XV) lên men mô tả kết thần linh làm chất chiết lúa mạch trở thành “trạng thái nhiệt chuyển động từ bên trong” thần linh gọi “fermentum” (dịch từ tiếng La tinh có nghĩa “men”) Hầu hết nhà hóa học, bao gồm ông P E M Berthelot J Liebig, cho lên men q trình hóa học túy Ngược lại, nhà hóa học vi sinh vật học người Pháp Louis Pasteur (1822-1895) cho q trình sinh học Năm 1857, ơng q trình lên men xảy có vi sinh vật (nấm men) hình thức đặc biệt trao đổi chất tế bào nấm men sống Đồng thời, Pasteur không phủ nhận khả sản xuất enzym từ sinh vật trình lên men ngoại bào, mà sau xác nhận thực nghiệm nhà hóa học Ngun q trình lên men xảy khơng có tế bào nấm men sống sử dụng chiết xuất chúng Các nghiên cứu trình lên men thực Pasteur nhà khoa học khác, sở khoa học cho việc sử dụng vi sinh vật sản xuất giấm, làm rượu vang sản xuất bia Vì vậy, Pasteur đặt sở khoa học cho việc quản lý trình vi sinh Vào năm 1865 ông đề phương pháp bảo vệ thực phẩm khỏi hư hỏng (khử trùng) Pasteur tiếng với việc đưa vào ứng dụng hệ thống tiêm chủng Thuật ngữ “công nghệ sinh học” lần sử dụng vào năm 1917 kỹ sư người Hungary C Erec để mô tả việc chăn nuôi lợn quy mô lớn, sử dụng củ cải đường làm thức ăn gia súc Còn kể từ năm 1961, nhờ nhà vi sinh vật học Thụy Điển C.G Heden công nghệ sinh học kết nối chặt chẽ với nghiên cứu lĩnh vực hàng hóa công nghiệp từ việc sử dụng sinh vật sống, hệ thống sinh học quy trình dựa thành tựu vi sinh vật học, hóa sinh kỹ thuật hóa học Hiện ngành cơng nghiệp sinh học sản xuất thức ăn gia súc thực phẩm protein, peptide, amino axit hợp chất hữu khác Q trình sinh học thu chất hóa học có số ưu điểm so với q trình hóa học đơn Chúng xảy điều kiện nhẹ bước Đồng thời sử dụng nguyên vật liệu tái tạo chất thải sẵn có để tái chế Việc sử dụng quy trình cơng nghệ Tieu luan sinh học đặc biệt có lợi từ góc nhìn kinh tế cơng nghệ với quy mơ sản xuất nhỏ sản phẩm tương đối đắt tiền thuốc Câu hỏi Các hóa chất q trình hóa học coi sản xuất công nghệ sinh học? Các sản xuất công nghiệp hóa học thay công nghiệp sinh học tương lai? 7.2.4 Công nghệ nano Kích thước tối thiểu đối tượng mà nhà hóa học ứng dụng? Thuật ngữ “công nghệ nano” (theo Hy Lạp “nanoc”– người lùn) đưa vào năm 1974 để mô tả trình xảy khơng gian với kích thước từ 0,1 đến 100 nm (1 nm = 10-9 m) Công nghệ nano quy cho phương pháp sản xuất hệ thống keo cao phân tử, luyện kim bột, phủ lớp mỏng Tầm quan trọng lớp phủ mỏng lần ghi nhận vào năm 1959 giảng nhà vật lý người Mỹ R Feynman “Phía cịn nhiều khoảng trống: lời mời tham gia vào giới vật lý”, nhấn mạnh tầm quan trọng lĩnh vực nén liệu, tạo máy tính thu nhỏ, quản lý kiến trúc phân tử Ông định luật vật lý không cản trở việc xây dựng cấp độ nguyên tử, phân tử Trong đầu năm 1970, gần đồng thời Liên Xô, Nhật Bản Hoa Kỳ bắt đầu công việc chế tạo cấu trúc nano bán dẫn Tuy nhiên, “bùng nổ” công nghệ nano bắt đầu 10 năm sau đó, chúng tạo cách quét kính hiển vi lực nguyên tử, đường hầm trở thành "mắt" "ngón tay" nhà nghiên cứu Xuất khái niệm máy robot phân tử dựa mơ hình sinh học Đồng thời phát triển loại vật liệu có cấu trúc làm từ Tieu luan tinh thể có kích thước nanomet Như kích thước thu bùng nổ tinh thể kim cương nằm phạm vi hẹp 4-5 nm; tinh thể kết hợp tính hữu ích số loại carbon: kim cương thơng thường than chì, cacbon đen than hoạt tính Các đối tượng nano phát vào cuối kỷ XX, dạng carbon – fullerene ống nano Trong năm 1996 nhà khoa học Anh Harold Kroto nhà hóa học Mỹ Richard Smalley Robert Curl trao giải Nobel cho việc phát minh fullerene Tên gọi “fullerene” cho phân tử C60 đề xuất vào năm 1985 đặt theo tên kiến trúc sư R Vakminster Fuller, người thiết kế mái vịm hình ngũ giác lục giác Những hình tương tự có phân tử hình cầu C60 Sau C70 nhiều đối tượng khác phát Các ống nano đối tượng thú vị để nghiên cứu Được biết, độ bền ống nano carbon cao nhiều lần so với thép, mật độ chúng gấp sáu lần nhỏ Màng cấu trúc nano dựa nitrua borua có tính chất tương tự Không giống phương pháp tiếp cận truyền thống để tạo đối tượng thu nhỏ “từ xuống”, tức cách làm nhỏ hệ thống lớn hơn, công nghệ nano chủ yếu sử dụng chiến lược “từ lên”, bao gồm lắp ráp nguyên từ phân tử Đồng thời công nghệ nano không giới hạn phạm vi điện tử nano máy tính nano, lĩnh vực phát triển cách tối đa Năm 2000 nhà khoa học Nga Zhores Ivanovich Alferov trao giải thưởng Nobel Vật lý công trình nghiên cứu lĩnh vực bán dẫn heterostructure ghi nhận thành công khoa học Nga việc nghiên cứu đối tượng nhỏ Mặc dù có nhiều thành tựu cơng nghệ nano vào năm gần đây, giai đoạn khởi đầu Cấu trúc nano thiết bị nano chủ Tieu luan yếu đơn giản chặng đường xa đề khai thác hết khả khoa học nano Câu hỏi Ước tính kích thước móng tay mà Leskov Lefty đóng móng cho bọ chét “aglits” Chúng ta coi đối tượng thuộc cơng nghệ nano? Các triển vọng cho thành công công nghệ nano? Tieu luan ... hidrocacbon dẫn xuất hidrocacbon Lịch sử hóa vơ phần lịch sử hóa học Nó bao gồm thời điểm quan trọng , tìm ngun tố, cơng thức kí hiệu hóa học, tìm thấy phát triển định luật hóa học Từ lâu người ta biết... hướng hóa học Hóa học nghiên cứu chủ thể nào? Những phương pháp sử dụng nghiên cứu hóa học? Hóa học - lĩnh vực khoa học độc lập khoa học tự nhiên Thế nên q trình tích lũy kiến thức hóa học, chúng...Phần I Thời kỳ phát triển sơ khai hóa học “Nghệ thuật thần bí hóa học? ?? đời Ai Cập cổ đại Tại nước Châu Âu, từ ? ?hóa học? ?? phát âm giống nhau: “chemistry” – tiếng