Thành tựu nào của hóa học vô cơ được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày của con người?
Mặc dù từ giữa thế kỷ XIX, các lĩnh vực khác nhau của hóa học đã phát triển mạnh mẽ và phần nào lấn át hóa vô cơ, nhưng hóa học vô cơ vẫn tiếp tục phát triển nhanh chóng và đạt được nhiều thành tựu lớn.
1. Hợp chất của nitơ
Bằng phương pháp nào có thể điều chế các hợp chất của nitơ từ đơn chất?
Các hợp chất của nitơ rất cần thiết cho sản xuất phân bón khoáng và chất nổ. Mặc dù nitơ chiếm khoảng 4/5 thành phần khí quyển, nhưng trong một thời gian dài, lượng này vẫn không đủ đáp ứng nhu cầu của con người. Vì vậy, con người phải dựa vào các hợp chất tự nhiên như muối nitrat, muối amoni và amoniac.
Nguồn nitơ phong phú nhất trong khoảng 10 năm là natri nitrat (NaNO₃) tự nhiên, được hình thành từ sự phân hủy các hợp chất hữu cơ. Vào đầu thế kỷ XIX, người ta đã bắt đầu khai thác các mỏ natri nitrat. Đến năm 1885, trữ lượng đạt khoảng 90 triệu tấn, tưởng chừng đủ cho nhu cầu nhân loại. Tuy nhiên, đến đầu thế kỷ XX, xuất khẩu diêm tiêu từ Chile giảm mạnh, trữ lượng nhanh chóng cạn kiệt.
Từ thế kỷ XIX, các nhà hóa học đã tìm cách thu giữ nitơ trong khí quyển. Dù hiểu rõ tính chất của nitơ, việc tái tạo quá trình này trong phòng thí nghiệm không thành công do phân tử nitơ rất bền. Vì vậy, cần những phương pháp mạnh để phá vỡ liên kết của nó.
Năm 1903, Đức xây dựng nhà máy oxy hóa nitơ trong hồ quang điện ở khoảng 400°C, nhưng phương pháp này không kinh tế do tiêu tốn nhiều điện năng.
Năm 1904, nhà hóa học người Đức Fritz Haber (1868–1934) và từ năm 1907 cùng với Carl Bosch (1874–1940) đã tiến hành thí nghiệm tổng hợp amoniac từ nitơ và hydro (từ điện phân nước). Năm 1913, quy trình Haber–Bosch ra đời: tổng hợp trực tiếp amoniac từ hỗn hợp nitơ và hydro dưới áp suất cao với xúc tác sắt. Không lâu sau, Đức đã sản xuất amoniac ở quy mô công nghiệp. Sau Chiến tranh thế giới thứ nhất, phương pháp này được sử dụng rộng rãi để sản xuất phân bón.
Gần đây, người ta phát hiện rằng phân tử nitơ có thể được hoạt hóa bằng các hợp chất kim loại chuyển tiếp và chuyển thành các hợp chất chứa hydro (amoniac, amin thơm) trong điều kiện thường, trong dung môi hữu cơ. Tuy nhiên, phương pháp này hiện mới chỉ áp dụng trong phòng thí nghiệm do chi phí cao.
Câu hỏi:
- Phương pháp sinh học cố định nitơ có triển vọng không?
- Các phương pháp nghiên cứu sự liên kết của nitơ có thể phát triển theo những hướng nào?
2. Sự xuất hiện của nhiếp ảnh
Các phản ứng hóa học nào xảy ra dưới tác dụng của ánh sáng?
Trong nửa đầu thế kỷ XIX, một trong những phát minh vĩ đại nhất của khoa học đã ra đời: nhiếp ảnh. Ngày 7/1/1839 được xem là ngày ra đời của bức ảnh đầu tiên, khi D.P. Arago trình bày báo cáo của Louis Jacques Mandé Daguerre (1787–1851) tại Viện Hàn lâm Khoa học Pháp.
Hiện tượng một số hợp chất (đặc biệt là muối bạc) bị đen dưới ánh sáng đã được biết từ lâu. Sau đó, hiện tượng này được nghiên cứu bởi nhiều nhà khoa học như Glauber, Scheele, Berthollet và Davy.
Năm 1829, Joseph Nicéphore Niépce (1765–1833) đã nghiên cứu muối bạc nhưng chưa thành công trong việc lưu giữ ảnh. Cùng với Daguerre, ông phát triển phương pháp dagerotypia. Trên tấm ảnh phủ bạc, người ta xử lý bằng hơi iod tạo bạc iodua. Dưới ánh sáng, bạc iodua bị phân hủy, giải phóng bạc kim loại cực nhỏ. Sau đó, ảnh được hiện bằng hơi thủy ngân và phần bạc iodua dư được rửa bằng NaCl. Thời gian phơi sáng ban đầu kéo dài 15–30 phút.
Năm 1841, William Henry Fox Talbot (1800–1877) phát minh phương pháp mới sử dụng giấy tẩm bạc nitrat, kali iodua, axit galic và axit axetic. Hai năm sau, ông cải tiến giúp tăng độ nhạy sáng đáng kể.
Cuối thế kỷ XIX, quy trình âm–dương (negative–positive) với phim cuộn được hoàn thiện và vẫn được sử dụng đến ngày nay. Bạc bromua được chọn làm chất nhạy sáng chính.
Ảnh màu bắt đầu xuất hiện từ năm 1861. Đến năm 1907, máy ảnh màu đầu tiên được bán ra. Vật liệu ảnh màu hiện đại gồm nhiều lớp nhũ tương nhạy sáng.
Các vật liệu ảnh chủ yếu sử dụng muối bạc. Một số phương pháp dùng muối sắt kết hợp với bạch kim hoặc palladium từng được áp dụng, nhưng bị loại bỏ sau Chiến tranh thế giới thứ nhất do chi phí cao. Hiện nay, do giá bạc tăng, việc tái chế bạc từ vật liệu ảnh cũ trở nên quan trọng.
Hiện nay, ảnh kỹ thuật số đã thay thế phần lớn ảnh hóa học, nhưng trong nhiều trường hợp, phương pháp truyền thống vẫn được sử dụng.
Câu hỏi:
- Vì sao muối bạc được sử dụng làm chất nhạy sáng trong thời gian dài?
- So sánh ảnh số và ảnh “bạc”, đánh giá triển vọng của chúng.
3. Phát minh ra diêm
Những phương pháp không phải hóa học có thể tạo ra lửa là gì?
Khả năng tạo lửa đóng vai trò quan trọng trong văn minh nhân loại và sự phát triển của hóa học. Từ lâu, con người đã tạo lửa bằng ma sát. Ở Hy Lạp cổ đại, lửa được giữ và truyền bằng đuốc. Sau đó, người ta dùng đá lửa (silic), pyrit và vật liệu dễ cháy như vải, bùi nhùi.
Thiết bị đầu tiên tạo lửa ở nhiệt độ phòng do Y.V. Döbereiner phát minh năm 1823, dựa trên xúc tác bạch kim tạo phản ứng cháy của hydro.
Năm 1827, diêm photpho xuất hiện, gồm photpho trắng, kali clorat và keo. Tuy nhiên, photpho trắng độc và dễ cháy. Vì vậy, vào những năm 1830, người ta chuyển sang diêm lưu huỳnh.
Nhà hóa học Đức Rudolf Boettger (1848) đã phát minh diêm hiện đại, trong đó chất cháy được đặt ở cả đầu que và mặt hộp. Thành phần gồm chất oxi hóa, chất cháy (lưu huỳnh), keo và chất điều chỉnh cháy. Mặt hộp chứa photpho đỏ an toàn hơn.
Diêm công nghiệp đầu tiên được sản xuất tại Thụy Điển, nên còn gọi là “diêm Thụy Điển”. Năm 1904, Auer von Welsbach phát minh hợp kim tự cháy (ceri–sắt), mở đường cho bật lửa hiện đại.
Câu hỏi:
- Vì sao diêm xuất hiện ở thế kỷ XIX còn bật lửa ở thế kỷ XX?
- Thiết bị tạo lửa nào hiện nay là thực tế nhất?
4. Vật liệu vô cơ nhân tạo
Có thể phân loại các hợp chất vô cơ dùng làm vật liệu thành những nhóm nào?
Một thành tựu quan trọng của hóa học vô cơ là tạo ra các vật liệu mới không tồn tại trong tự nhiên. Các vật liệu như kim loại, gốm, thủy tinh, vật liệu xây dựng đã được sử dụng từ lâu.
Trong thế kỷ XX, nhiều vật liệu vô cơ mới được tạo ra với các tính chất quang học, âm học, điện (chất dẫn, siêu dẫn, điện môi) và điện từ.
Năm 1929, hợp kim cacbit vonfram (“pobedit”) được chế tạo, dùng làm dụng cụ cắt.
Năm 1953, kim cương nhân tạo lần đầu được tổng hợp ở Thụy Điển; tại Nga vào năm 1960. Quá trình này cần nhiệt độ cao (~2000°C) và áp suất lớn (~1000 atm), thường có xúc tác kim loại như sắt, coban.
Ngoài ra, các vật liệu siêu cứng như borazon (cấu trúc giống kim cương) có độ bền nhiệt cao hơn kim cương.
Silic và germani đơn tinh thể được sử dụng làm vật liệu bán dẫn. Các hợp chất bán dẫn có thành phần biến đổi (berthollide) không tuân theo định luật tỉ lệ cố định.
Năm 1911, Heike Kamerlingh Onnes phát hiện tính siêu dẫn của thủy ngân ở 4,2 K. Sau đó, nhiều vật liệu siêu dẫn khác được phát hiện. Năm 1986, Bednorz và Müller phát hiện siêu dẫn nhiệt độ cao (~30 K) trong vật liệu gốm chứa oxit đồng. Hiện nay, đã có vật liệu siêu dẫn tới ~160 K.
Tuy nhiên, các vật liệu này còn hạn chế về độ bền và công nghệ, nên vẫn đang tiếp tục nghiên cứu.
Câu hỏi:
- Vì sao nhiều tính chất đặc biệt của vật liệu vô cơ chỉ được phát hiện trong thế kỷ XX?
- Những yếu tố nào ảnh hưởng đến sự phát triển của hóa học và công nghệ vật liệu vô cơ so với các lĩnh vực khác?