Môn hóa giả kim, hóa dược và hóa kỹ thuật đóng vai trò gì trong việc hình thành lên bộ môn hóa học được xem như một môn khoa học?
Hóa học, với tư cách là một môn khoa học, ra đời trong khoảng từ thế kỷ thứ XVI-XVII. Trong thời gian này ở Tây âu đang diễn ra hàng loạt những cuộc cách mạng. Cách mạng tôn giáo – công cuộc đổi mới – đã đưa ra sự giải thích mới về những hiện tượng trên trái đất. Cách mạng khoa học đã tạo ra một bức tranh mới về thế giới, trong đó có thêm những khái niệm như: thuyết nhật tâm, thuyết không giới hạn, sự tuân thủ các định luật của tự nhiên. Trong tiến trình của cuộc cách mạng công nghiệp nảy sinh nhà xưởng – hệ thống máy móc sử dụng năng lượng từ nhiên liệu. Cách mạng xã hội phá vỡ chế độ phong kiến và thay vào đó là chế độ tư sản.
Những khái niệm khoa học đầu tiên trong hóa học
Tại sao học thuyết khoa học đầu tiên của hóa học lại về trạng thái khí ?
Sự chú ý của những nhà nghiên cứu tập trung vào chất khí, mà nó được thải ra trong quá trình thiêu và nung kim loại. Nghiên cứu những khí này đã giúp phát hiện ra định luật về sự phụ thuộc giữa thể tích khí vào áp suất và nhiệt độ. Một trong những kết quả quan trọng của nghiên cứu chất khí đó là việc đưa ra kết luận rằng: không khí là hỗn hợp của nhiều khí.
1. Sự phục hưng của thuyết nguyên tử
Nguyên tử học cổ đại tác động như thế nào đến việc giải quết vấn đề hóa học thế kỷ XVII ?
Vào khoảng từ thế kỷ XVI-XVII rất nhiều nhà hóa học đã hướng đến việc liên kết lý thuyết và thực nghiệm cùng với những yêu cầu của hóa học thủ công nghiệp, để giải thích các hiện tượng tự nhiên không phải một cách trừu tượng, mà là trên nền tảng của những kết quả thực nghiệm. Rất nhiều nghiên cứu lại một lần nữa chú ý đến nguyên tử luận cổ đại.
Một trong những người cho rằng tất cả các dạng vật chất trong tự nhiên đều liên quan đến sự chuyển dịch không gian của hạt vật chất đó là nhà triết học,toán học, vật lý, sinh lý học người Pháp Rene Descartes (1596-1650). Khác với những nhà nguyên tử học cổ đại, những người thừa nhận sự tồn tại của không gian trống, Descartes cho rằng, không gian được lấp đầy bởi vật chất, bởi thế sự chuyển động cần phải thực hiện theo một đường cong kín. Ông đồng nhất hóa vật chất cùng với khoảng cách và chuyển động – chính là sự di rời một vật thể. Theo như quan điểm của ông, chúa mang chuyển động vào vật chất, tạo ra cho nó cú hích đầu tiên, và sau đó vật chất bắt đầu chịu tác dụng của định luật bảo toàn động lượng.
Năm 1647 xuất hiện cuốn sách của nhà triết học-toán học- thiên văn học-thực nghiệm tự nhiên học người Pháp Pierre Gassendi (1592-1655) với tựa là “Cuộc đời, lối sống và học thuyết của Epicurus”, trong đó ông viết về các chất được tạo lên từ các nguyên tử, các hạt này khác nhau về kích thước, hình dạng và khối lượng. Khác với Epicurus (học trò của Aristot), ông thừa nhận chúa là người sáng tạo ra nguyên tử. Nguyên tử, theo quan điểm của ông – là hạt không thể chia nhỏ ra được nữa, là hạt không thể xuyên thấu. Giữa các nguyên tử trong vật chất có các khoảng trống. Trong quá trình chuyển động các nguyên tử có thể va chạm nhau, khi đó vận tốc của chúng có thể tăng lên hay giảm đi. Gassendi cũng đưa ra giả thuyết rằng, nguyên tử lúc đầu tiên liên kết với nhau trong một nhóm đặc biệt, gọi là phân tử (đây là từ có thể dịch là “khối lượng nhỏ” – là cách gọi khác của từ Latinh “Molec” – khối lượng ).
Nền tảng của chủ nghĩa duy lý và các phương pháp thực nghiệm trong hóa học được nghiên cứu bởi nhà bác học người Anh R. Bloile vào năm 1661. Trong công trình nghiên cứu “hóa học – người hoài nghi” ông đã phát triển thuyết nguyên tử trên cơ sở khái niệm hóa học của mình. Boile đưa ra khái niệm về những hạt sơ cấp (hạt rất nhỏ) giống như nguyên tố và các hạt thứ cấp giống như các vật thể phức tạp. Theo Boile, nguyên tố là “cái đầu tiên, đơn giản và hoàn toàn không phải là những vật thể hỗn tạp, chúng không được tạo thành từ nhau, nhưng chúng chính là các phần mà từ đó có thể tạo thành vật thể hỗn tạp và cuối cùng chúng có thể bị phân hủy”. Sự khác nhau giữa hình dạng và khối lượng của chúng giải thích tính chất của từng chất. Boile hoàn toàn thoát khỏi giả kim thuật khi cho rằng nguyên tố chính là vật chất, mà không phải là “nguyên lý” hay ý niệm nào đó. Sự thật, điều đó không ngăn cản các nhà khoa học cho rằng nước là một nguyên tố tinh khiết, còn vàng, đồng, thủy ngân và lưu huỳnh – là những hợp chất hóa học hay hỗn hợp.
Vào năm 1741 trong công trình nghiên cứu “Cơ sở của hóa toán”, nhà bác học vĩ đại Lomonosov đã đưa ra những khái niệm hiện đại về nguyên tử, giống như những hạt rất nhỏ của nguyên tố hóa học, có khả năng liên kết thành những hạt lớn hơn – hay phân tử, và từ những hạt lớn này tạo ra các chất phức tạp. Ông đã phân biệt được những tiểu thể đồng nhất, được tạo ra từ một loại nguyên tử và những tiểu thể không đồng nhất, được tạo ra từ những nguyên tử khác nhau, Những tiểu thể này và nguyên tử được Lomonosov gắn cho thuộc tính chiều dài, lực hút và hình dạng là hình cầu.
Câu hỏi:
1. Tại sao Boile và những người kế nhiệm của ông không sử dụng khái niệm về khối lượng nguyên tử.
2. Nguyên tử đóng vai trò gì về mặt ý tưởng trong nền văn hóa phương tây ( Châu âu)?
2 Hóa học chất khí
Tại sao học thuyết của Aristot lại chống lại các quy luật tự nhiên và những nghiên cứu về tính chất của chất khí ?
Vào khoảng thế kỷ XVII – XVIII, việc nghiên cứu các chất ở trạng thái khí đã kết nối hai môn khoa học lại – đó là vật lý và hóa học, chúng từng được xem như những nhánh riêng biệt của khoa học tự nhiên. Cha đẻ của môn hóa học khí nén chính là nhà bác học người Hà Lan Helmont Jan Baptist Van. Ông là người đầu tiên phát hiện ra “khí gỗ”, khí thu được khi đốt củi hoặc than, lên men bia hay khi cho axit tác dụng với vôi tôi, hay bồ tạt (K2CO3), nó không giống với không khí. Trước đây, khi khí này thoát ra trong thời gian các thí nghiệm hóa học, người ta coi nó là một dạng khác của không khí.
Vào năm 1727, nhà thực vật học – hóa học người Anh Stephen Hales (1677-1761) đã phát minh ra bình thu khí. Phát minh này tạo tiền đề cho việc thực hiện các thí nghiệm về điều chế, thu khí, cho phép bắt đầu nghiên cứu rộng rãi hơn trong lĩnh vực hóa học chất khí, Hales đã thực hiện hàng loạt những nghiên cứu về các hiện tượng hấp thụ, hay đào thải “khí” của thực vật và động vật. Ông còn thực hiện các thí nghiệm về chưng cất các chất hữu cơ, nung nóng oxit chì, kiềm và các hợp chất khác khi tiến hành thu được “khí” được tạo ra nhờ thiết bị đẩy nước của ông.
Những khó khăn khi thu khí có khả năng tan tốt trong nước đã được khắc phục bởi nhà bác học người Anh J. Priestley, ông sử dụng thủy ngân để thay thế cho nước.
Năm 1754, nhà nghiên cứu người Scotlen Black Joseph đã có thể thu “khí gỗ” và nghiên cứu tính chất của nó, cụ thể về khả năng tương tác của nó với vôi tôi và mage oxit ( hay chính là oxit của canxi và magie) tạo thành những chất ban đầu (muối cacbonat của canxi và magie). Trên cơ sở đó ông gọi khí, mà ngày nay chúng ta gọi là khí cacbonic, là “khí liên quan”.
Nhà hóa học người Anh G. Cavendish vào năm 1766 đã chứng minh rằng, khi cho kim loại tác dụng với axit loãng thì thoát ra “khí cháy”. Phản ứng tương tự cũng được mô tả bởi R. Boile vào năm 1669 và M. V. Lomonosov vào năm 1745. G. Cavendish là người đầu tiên mô tả tính chất đặc biệt của khí hidro đó là: nhẹ hơn không khí, không tan trong nước và dung dịch kiềm, tạo thành hỗn hợp nổ với không khí, khi cháy ngoài không khí tạo thành nước.
Vào năm 1772 nhà hóa học người Thụy Điển K. Scheele đã trình bày một số phương pháp điều chế “khí lửa” – hay chính là oxi, thu được khi phân hủy các hợp chất vô cơ như ( nitrat, oxit). Tuy nhiên kết quả nghiên cứu của Scheele chỉ được công bố vào năm 1777, sau đó J. Priestley, làm việc độc lập với Scheele, cũng thu được khí tương tự khi phân hủy oxit thủy ngân. Priestley ấn định ngày phát minh của mình là ngày 1/8/1774, bởi thế nên ông được coi là người đầu tiên phát hiện ra oxi.
Chú thích : K. Scheele (1742-1786) – nhà hóa học người Thụy Điển. Là người nghiên cứu phương pháp điều chế cũng như nghiên cứu tính chất của rất nhiều đơn chất và hợp chất vô cơ, người mô tả hơn một nửa các chất hữu cơ được biết đến vào thời điểm đó.
Sự hình hành lên oxi khi phân hủy oxit thủy ngân của J. Priestley gần như cùng thời điểm với nhà hóa học người Pháp P. Bayen. Sự giải phóng ra “ khí dành cho sự hô hấp” trong một vài quá trình hóa học được ghi nhận bởi những nhà tự nhiên học một cách độc lập từ rất lâu trước cuối thế kỷ 18. Tuy nhiên họ không thể giải thích những hiện tượng trên.
Vào năm 1772 học trò của Black, nhà hóa học – thực vật học – bác sĩ người Hà Lan Daniel Rutherford (1749-1819) đã khám phá ra nitơ. Từ không khí trong bình thủy tinh, ông đã loại bỏ oxi bằng một ngọn nến cháy, khí cacbonic được hấp thụ bằng dung dịch kiềm ông đã phát hiện ra phần còn lại gọi là “khí làm cho ngột ngạt”, khí này dập tắt sự cháy, và làm chết một con chuột. Trong cùng thời gian này những kết quả tương tự về nitơ trong không khí cũng được phát hiện bởi Priestley và Cavendish, họ là những người đầu tiên xác định được thành phần không đổi của không khí và tỷ lệ phần trăm các phần. Gần như trong thời điểm đó Scheele cũng điều chế được nitơ. Kết quả nghiên cứu của ông do lỗi của nhà xuất bản nên chỉ được công bố vào năm 1777. Quá trình tham gia của Scheele và việc phát minh ra nitơ được kiểm chứng sau đó 100 năm, khi người ta tìm thấy trong sổ thí nghiệm của ông.
Những khái niệm về các chất khí giống như những chất đơn lẻ và về thành phần của chúng vẫn chưa thực sự rõ ràng cho đến cuối thế kỷ XVIII, nhưng không ai trong số các nhà nghiên cứu còn nghi ngờ rằng chúng khác với không khí, ông tổ của tất cả các loại khí.
Câu hỏi:
1. Tại sao các khí phổ biến nhất (carbon điôxit, nitơ, ôxy, hiđrô) chỉ được tìm ra vào thế kỉ XVIII, mà không phải sớm hơn ?
2. Tại sao một vài khí, ví dụ ôxy và nitơ, đã được phát hiện gần như đồng thời bởi một số các nhà hóa học?
3. Cái gì đã ngăn cản các nhà khoa học, lần đầu tiên đưa khí ôxy ra giải thích vai trò của nó trong sự cháy và hô hấp?