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
7.2. Những hướng nghiên cứu mới trong hóa học
Điều gì thúc đẩy sự phát triển cho những hướng nghiên cứu mới trong hóa học?
Theo Leonardo da Vinci đã từng nói: “Nơi mà thiên nhiên không thể tạo ra các công trình mới thì đã có con người, họ sử dụng tài nguyên thiên nhiên để tạo ra những công trình mới”. Trong hóa học hiện đại với những phương pháp nghiên cứu và tổng hợp chất mới nhất, bản chất của sự sáng tạo khoa học được phát huy nhiều nhất.
7.2.1. Phương pháp vật lý trong hóa học
Những phương pháp nào có thể được coi là phương pháp vật lý?
Hiện nay để nghiên cứu chất (đặc biệt là các cấu trúc và mức chuyển biến) việc sử dụng chỉ đơn thuần các phương pháp hóa học về chất lượng và số lượng là chưa đủ. Hóa học của thế kỷ XX còn bao gồm một loạt các phương pháp vật lý có liên quan với khả năng tác động lên hóa chất bởi bức xạ điện từ với tần số khác nhau hay chùm các hạt gia tốc. Các thông tin được lấy từ các đặc tính của bức xạ xuyên qua chất hay phản lại bởi chất, hoặc từ bức xạ thứ cấp phát ra bởi mẫu.
Các phương pháp quang phổ trong hóa học xuất hiện vào thế kỷ XIX. Năm 1859-1860 R. Bunsen và Kirchhoff G. Đã phát triển phương pháp quang phổ phân tích. Ban đầu để nghiển cứu người ta chỉ sử dụng các phần tia có thể nhìn thấy và tia cực tím của phổ điện từ, tương ứng với di chuyển lượng tử electron phía ngoài cùng của nguyên tử. Sau đó ranh giới tần số được mở rộng thêm ở tần số thấp hơn và cao hơn.
Năm 1881, trong hóa học lần đầu tiên được áp dụng phương pháp xquang phổ bắt đầu mở rộng. Khu vực hồng ngoại của phổ điện từ tương ứng với các dao động nguyên tử trong phân tử hay tinh thể. Do tần số dao động phụ thuộc vào sự
sắp xếp tương đối của các nguyên tử, phương pháp này có thể được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc của chất.
Sau khi phát hiện bởi B. Roentgen vào năm 1895, các tia mang tên ông (tia X-quang) cũng được sử dụng để nghiên cứu chất hóa học. Năm 1912, nhà vật lý William Henry Bragg (1862-1942) đã thiết kế ra thiết bị quang phổ X-quang và đã nghiên cứu các cấu trúc tinh thể của một loạt chất vô cơ. Do đó, ông ta đã đặt nền tảng cho phương pháp phân tích quang phổ X-quang và cấu trúc X-quang. Cùng với người con của mình, nhà vật lý William Lawrence Bragg (1890-1971), họ đã nghiên cứu hàng loạt các chất như kali và natri clorua rắn, fluorit, sulfua kẽm và sắt, kim cương, than chì, đồng. Dựa trên những nghiên cứu này đã được chỉ ra rằng trong các tinh thể hợp chất vô cơ không có nhóm nguyên tử riêng biệt nào mà có thể được coi là phân tử được. Kết luận đó đã gây ra sự bất ngờ, bởi vì trước đó các nhà hóa học tin rằng bất kỳ vật thể phức tạp nào đều được tạo thành bởi các phân tử. Các nghiên cứu của U.G.Bregga đã trở thành nên tảng cho các phương pháp mới trong hóa học thể rắn hiện đại. Với nghiên cứu về cấu trúc tinh thể bằng cách sử dụng X-quang, hai cha con nhà Bragg đã được trao giải Nobel vào năm 1915, giải thưởng vật lý. Khoáng sản đầu tiên, được phát hiện vào năm 1932 nhờ tia X- quang, được đặt theo tên ông William H. Bragg mang tên breggit. Vào năm 1920 bằng cách phân tích X-quang lần đầu tiên được xác định cấu trúc của chất hữu cơ - cellulose. Năm 1946-1950, W.L. Bragg cùng với nhà vật lý người Anh J.D. Bernal và nhà hóa học người Mỹ L. Pauling đã đặt nền tảng cho việc phân tích cấu trúc của protein.
Từ năm 1950 để nghiên cứu cấu trúc của chất, cùng với nhiễu xạ bức xạ X- quang còn được sử dụng nhiễu xạ electron. Hiện nay, phân tích X-ray là một trong những phương pháp quan trọng nhất để nghiên cứu cấu trúc của các chất vô cơ và hữu cơ. Nhiều chương trình máy tính được tạo ra để xử lý một cách nhanh chóng và đáng tin cậy những dữ liệu thí nghiệm và chỉ ra được tọa độ chính xác của mỗi nguyên tử trong vật liệu tinh thể.
Sự bắt đầu phát triển của việc phân tích khối phổ ký được thực hiện vào năm 1910, đó là thí nghiệm của J. Thomson. Ông nghiên cứu các chùm hạt mang điện tích, được tách theo khối lượng và điện tích bởi điện trường và từ trường, còn quang phổ được ghi lại trên tấm ảnh. Thiết bị khối phổ ký đầu tiên được thiết kế vào năm 1918. Bằng cách sử dụng phương pháp này đã phân tích được thành phần đồng vị của các nguyên tố, đã nghiên cứu được các gốc tự do. Thiết bị khối phổ ký được đưa vào sản xuất hàng loạt vào năm 1940. Sự kết nối thiết bị khối phổ ký với thiết bị sắc ký được thực hiện vào năm 1959 và thiết bị tỏa nhiệt vào năm 1983 đã mang lại cơ hội để nghiên cứu những hỗn hợp phức tạp dễ bay hơi và chất không bay hơi.
Việc phát hiện ra phóng xạ tự nhiên và các chất đồng vị nhân tạo là cơ sở cho phương pháp chất chỉ thị. Năm 1923, nhà hóa học vật lý Hungary George Heveiem (1885-1966) lần đầu tiên ứng dụng rađi như là một chất phóng xạ chỉ thị để nghiên cứu sự phân bố chì trong thực vật. Ông đã phát triển phương pháp pha loãng đồng vị và áp dụng một loạt các đồng vị phóng xạ để nghiên cứu quá trình hóa sinh. Vào năm 1936 cùng với nhà hóa học Hungary H. Levy, ông đã phát triển phương pháp phân tích neutron kích hoạt. Với công trình sử dụng các chất đồng vị phát như là các nguyên tử được đánh dấu cho việc nghiên cứu các quá trình hóa học ông Hevesy đã được trao giải Nobel Hòa bình vào năm 1943. Sau đó đồng vị phóng xạ đã được sử dụng rộng rãi cho việc nghiên cứu các quá trình hóa sinh, cơ chế phản ứng liên quan đến các chất hữu cơ và vô cơ, phân tích định lượng.
Trong quá trình nghiên cứu sự tác động của từ trường lên chất ở những năm 1940 của thế kỷ XX, hiện tượng cộng hưởng thuận từ (EPR) và cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) đã được phát hiện ra, trở thành nền tảng cho phương pháp nghiên cứu mới cấu trúc các hợp chất hóa học và tốc độ phản ứng hóa học. Trong những 1980, là sự phát triển nhanh chóng của các phương pháp quang phổ và chụp cắt lớp NMR trong ngành y phục vụ cho việc chẩn đoán các căn bệnh phức tạp.
Năm 1958, nhà vật lý người Đức Rudolf Mossbauer phát hiện ra một hiện tượng vật lý mới, sự phát xạ và hấp thụ của 7-lượng tử trong hạt nhân nguyên của
các chất rắn - hiệu ứng Mossbauer. Hai năm sau, phổ Mossbauer đã được sử dụng trong hóa học. Phương pháp này cung cấp cho nhà nghiên cứu nghiều thông tin kết hợp với sự giản đơn tương đối của thí nghiệm cùng với các nền tảng lý thuyết. Dựa theo quang phổ, đặc biệt, có thể nhìn thấy được sự khác biệt trong bản chất của các liên kết hóa học.
Câu hỏi
1. Tại sao trong các nghiên cứu hiện đại kết luận về cấu trúc của chất chỉ được đưa ra sau khi so sánh các kết quả thu được từ các phương pháp khác nhau?
2. Những hiện tượng vật lý mới có thể là cơ sở cho phương pháp nghiên cứu cấu trúc và tính chất của các chất hóa học?