2. Trọng lượng lớn nhất của actat, trong một quá trình nghiên cứu vào khoảng 0,002 microgram Những phương pháp nào được ứng dụng để nghiên cứu
7.1 Mối liên hệ giữa hóa học và các lĩnh vực khoa học khác
Mối quan hệ giữa các khoa học tự nhiên phát triển như thế nào trong các giai đoạn lịch sử?
7.1.1 Hóa toán
Các phương pháp toán học có vai trò gì trong sự phát triển của hóa học?
Các nhà hóa học và giả kim thuật từ thời cổ đại đến thế kỷ XVII ít sử dụng các thành tựu toán học trong các nghiên cứu của mình. Ứng dụng các phương pháp toán học trong hóa học chính là kết quả của sự tương tác giữa hóa học và vật lý, môn khoa học đã sớm ứng dụng những thành tựu toán học.
Năm 1741 M. V. Lomonosop đã viết moottj bài báo “các yếu tố của hóa toán”, đánh dấu sự khởi đầu việc sử dụng các phương pháp toán học trong hóa học. Ông cho rằng, bởi vì “hóa học là khoa học về những biến đổi, xảu ra trong vật chất hổn hợp”, và “những sự biến đổi của vật chất hỗn hợp xảy ra theo cơ học”, cho nên “những biến đổi đó có thể được giải thích bằng các định luật cơ học”.
Lavoisier năm 1783 đã viết: “có lẽ, một khi tính chính xác của dữ liệu có sẵn sẽ được đưa đến một mức chính xác, thì nhà hình học có thể tính toán trong phòng mình các quá trình, kèm theo bất kỳ hợp chất hóa học nào, cũng giống như bằng phương pháp nào đó ông ta tính toán được sự chuyển động của các thiên thể.” Cùng với sự phát triển của mình hóa học đã sử dụng rất nhiều những thuật toán phức tạp. Đầu tiên khi nghiên cứu các tính chất về khối lượng và thể tích của các hiện tượng hóa học đã sử dụng các phương pháp đại số và số học khá đơn giản. Sau đó nghiên cứu tốc độ phản ứng hóa học đã dẫn đến việc sử dụng các phương trình vi phân để mô tả các quá trình phản ứng. sự phát triển của nhiệt động lực học đã đòi hỏi sử dụng các phương pháp toán thống kê. Phương pháp phân tích hóa lý hoàn chỉnh dựa trên cơ sở các giản đồ thành phần – tính chất, ở đó các quá trình hóa lý được biểu diễn bằng sơ đồ.
Đặc biệt trong lĩnh vực hóa lượng tử sử dụng rất nhiều các phương pháp toán học. Vai trò của hóa lượng tử không chỉ để tìm ra các tính chất hóa lý của các hợp chất cơ bản, mà còn dự đoán các cớ chế và quy luật các phản ứng dựa trên các kết quả toán học. Hóa lượng tử cơ bản là sự tiếp cận vật lý cơ học lượng tử và các quan điểm hóa học cổ điển về cấu trúc của các hợp chất hóa học. Tuy nhiên, việc sử dụng các phương pháp toán học của cơ học lượng tử để giải quyết bất kỳ bài toán hóa học nào cũng không thể, bởi vì kết quả chính xác của các phương trình toán học của hóa học lượng tử chỉ có thể được tìm thấy trong các trường hợp đơn giản. Còn để tính toán thực tế cần sử dụng các phương pháp gần đúng, dựa trên các mô hình định tính, được xây dựng trên các dữ liệu thực nghiệm.
Vào thế kỷ XX trong khoa học tự nhiên và đặc biệt trong hóa học mô hình toán học được sử dụng rất phổ biến. Trong phương pháp này mô hình các đối tượng hóa học được biểu diễn bằng các hệ phương trình toán học. Mô hình toán học cho phép dự đoán các đặc tính trong các điều kiện khác nhau. Bản chất của mô hình toán học là thực nghiêm tính toán, được thực hiện nhờ máy tính. Để xây dựng mô hình toán học người ta sử dụng các dữ liệu thực nghiệm thu được trong các quá trình xảy ra thực tế.
Sự tin học hóa khoa học và phát triển các phương pháp số đã dẫn đến sự phát triển các phương pháp mô phỏng thí nghiệm trong hóa học. Khi đó sẽ đạt được hai mục tiêu cơ bản: tìm ra thành phần và cấu trúc các hợp chất với các tính chất cho trước và tìm ra con đường tối ưu tổng hợp các hợp chất phức tạp. Sự đóng góp của hóa toán giúp tiết kiệm thời gian và tiền bạc khi giải quyết các bài toán hóa học.
7.1.2 Lý hóa
Lý hóa khác với hóa lý ở điểm nào?
Sự xuất hiện vào đầu thế kỷ XX những lĩnh vực mới của vật lý (cơ lượng tử, lý thuyết nguyên tử và phân tử điện tử) đã dẫn đến việc tạo ra môn khoa học mới – lý hóa. Ban đầu ngành này gọi là hóa học điện tử, và vào năm 1930 xuất hiện thuật ngữ “lý hóa”. Nhà hóa học Nga xuất sắc N. N. Semenow đã định nghĩa như sau: “lý hóa là vật lý của biến đổi hóa học và cấu trúc phân tử. Lĩnh vực hóa học mới này xuất hiện nhờ sự xâm nhập vật lý lý thuyết và các phương pháp vật lý thực nghiệm vào hóa học, nó đã thâm nhập vào tất cả các lĩnh vực hóa học và thực sự bắt đầu đóng vai trò cơ sở lý thuyết của hóa học”.
Lý hóa ứng dụng các phương pháp vật lý lý thuyết và thực nghiêm cho các vấn đề về cấu trúc và chuyển hóa các chất, tức là các vấn đề hóa học. Đồng thời xem xét cấu trúc điện tử và nguyên tử - phân tử của các hạt hóa học và các hợp chất được tạo bởi chúng và sự biến đổi năng lượng và đặc điểm cấu trúc các hạt theo thời gian.
Nghiên cứu các hợp chất với những cấu trúc nguyên tử - phân tử cho trước để đảm bảo các tính chất cần thiết và thực hiện các chức năng yêu cầu là cơ sở để tạo ra thuốc, vật liệu bán dẫn, chất xúc tác… Vai trò đặc biệt dành cho việc nghiên cứu các hạt kích thích, cần thiết để tạo ra những vật liệu lazer mới, dự đoán cơ chế các phản ứng.
Cơ chế phản ứng và môi trường phản ứng trở thành đối tượng nghiên cứu đầu tiên trong lĩnh vực lý hóa. Nhờ những đóng góp của Semenov và các cộng sự của ông khái niệm về cơ chế phản ứng dây chuyền được đưa ra, đó là một dạng phản ứng cơ bản của các nguyên tử tự do và các gốc tự do.
Semenov Nicolai Nicolaevich (1896-1986) – nhà vật lý Xô viết. Một trong những người sáng lập ra lý hóa.
Ông nghiên cứu các học thuyết về các quá trình hóa học. Trên cơ sở lý thuyết về cháy nổ của các hỗn hợp khí đã phát triển học thuyết về sự phân bố ngọn lửa. kích nổ, cháy của các chất nổ và thuốc súng. Ông đã chứng minh bằng lý thuyết và kiểm chứng bằng thực nghiệm các quan điểm quan trọng nhất của lý thuyết về
phản ứng dây chuyền. Dựa trên cơ sở các quan điểm lý thuyết đó đã thực hiện nhiều quá trình, trong đó có quá trình polime hóa định hướng. Ông được nhận giải Nobel năm 1956.
Trên cơ sở nghiên cứu quá trình oxi hóa Phootspho ở các áp suất khí oxi khác nhau Semenov đã nêu ra giả thuyết rằng: trong quá trình đó xảy ta phản ứng dây chuyền phân nhánh. Sau đó lý thuyết về phản ứng dây chuyền phân nhánh đã được kiểm chứng trên các phản ứng oxi hóa các chất khác, cũng như phản ứng tạo ra một số chất. Mặc dù nó đã bị một số nhà hóa học hoài nghi, nhưng các thí nghiệm đã chứng tỏ sự đúng đắn của những kết luân Semenov và các đồng nghiệp của ông. Đồng thời các nghiên cứu thực nghiệm của các quá trình tương tự như thế đã được thực hiện bởi C. H. Hinshelwood, người đã xác định được một loạt các tính chất quan trọng của phản ứng dây chuyền phân nhánh. Vào năm 1956 Semenov và Hinshelwood đã được trao tặng giải thưởng Nobel vì đã nghiên cứu cơ chế phản ứng hóa học.
Cyril Norman Hinshelwood (1897 - 1967) – nhà hóa lý người Anh.
Lĩnh cực nghiên cứu – động hóa học. Vào những năm 1920 – 1930 đã nghiên cứu các cơ chế của các quá trình đồng thể và dị thể khác nhau, phản ứng dây chuyền phân mạch. Ông được trao giải Nobel năm 1956.
Theo thời gian các phương pháp lý hóa bắt đầu xâm nhập vào nhiều lĩnh vực điển hình của hóa lý. Những quan điểm điện tử và cơ học lượng tử về cấu trúc của chất được sử dụng trong nhiệt động lực học. Ngày càng có nhiều sự chú ý dành cho các cơ chế phản ứng điện hóa. Đồng thời lý hóa cũng tác động đến sự phát triển của hóa vô cơ và hữu cơ. Phần lớn nó liên quan đến lý thuyết về cấu trúc và khả năng phản ứng của chất.
Hóa sinh và sinh học phân tử
Việc phân tách hóa học hữu cơ khỏi sinh học đóng vai trò như thế nào trong sự phát triển của sinh học và hóa học?
Kể từ thời cổ đại các nhà hóa học đã quan tâm đến các vấn đề, liên quan đến sinh học – từ việc tìm thuốc trường sinh (giả kim thuật) đến pha chế thuốc (hóa nông). Trong thời kỳ quan hệ giữa vật lý và hóa học phát triển mạnh mẽ các vấn đề sinh học và y học ít được chú ý hơn. Quá trình tương tác giữa hóa học và sinh học phát triển mạnh vào đầu thế kỷ XIX, khi đó đã hình thành nên một môn khoa học mới – hóa học hữu cơ, nghiên cứu về các chất nguồn gốc thực vật và động vật.
Nghiên cứu các chức năng sinh học của cơ thể, như hô hấp, tiêu hóa và quá trình trao đổi chất đã tạo động lực cho sự phát triển của hóa học và sinh học. Phương diện hóa học của các quá trình quang hợp và dinh dưỡng của thực vật được nghiên cứu. Từ sự giao thoa giữa hai ngành khoa học đã tạo điều kiện phát triển cho học thuyết về xúc tác sinh học. Hóa lý, trong đó có lý thuyết về dung dịch, đóng vai trò rất quan trọng trong quan điểm vầ các quá trình sinh học.