LỊCH SỬ NGÀNH HÓA HỌC
Lịch sử ngành hóa học có lẽ được hình thành cách đây khoảng 4000 năm khi người Ai Cập cổ đại lần đầu dùng kĩ thuật tổng hợp hóa học dạng "ướt".[1] Đến thời kì 1000 năm trước Công nguyên một số nền văn minh đã dùng những kĩ thuật hóa học vẫn còn giá trị nền tảng cho đến tận ngày nay, như: luyện thép từ quặng sắt, làm đồ gốm, lên men rượu bia, tạo ra màu để sơn và trang trí, chiết xuất tinh chất từ thực vật làm thuốc hay nước hoa, làm phô mai, nhuộm quần áo, thuộc da, chế biến mỡ thành xà bông, làm ra thủy tinh, chế tạo hợp kim chẳng hạn đồng.
Cách tiếp cận đến bản chất của thế giới vật chất và những chuyển hóa trong đó theo kiểu triết học thời cổ đại cũng như theo kiểu giả kim thuật đã không thành công, nhưng bằng cách làm thực nghiệm và ghi lại kết quả các nhà giả kim đã đặt nền móng cho phương pháp khoa học sau này. Năm 1661, Robert Boyle bằng công trình The Sceptical Chymist đã tách biệt hẳn giả kim thuật và hóa học, mở ra thời kì mới cho hóa học hiện đại.
Hóa học trở thành ngành khoa học theo nghĩa đầy đủ khi Antoine Lavoisier nêu ra định luật bảo toàn khối lượng, đòi hỏi các đại lượng hóa học phải được định lượng và đo lường cẩn thận. Vì thế mà dù cả giả kim thuật lẫn hóa học đều quan tâm đến bản chất của vật chất và sự chuyển hóa của chúng nhưng chỉ có nhà hóa học, chứ không phải nhà giả kim, dùng phương pháp khoa học trong nghiên cứu. Lịch sử hóa học thường được gắn với lịch sử nhiệt động học, nhất là từ công trình của Willard Gibbs.
Thời kỳ đồ sắt
Việc tách sắt ra khỏi tụ quặng là một công việc có thể làm được nhưng khó khăn hơn nhiều so với đồng và thiếc. Nó được phát hiện bởi vương quốc Hittites vào khoảng thế kỉ XII TCN, mở đầu cho thời kỳ đồ sắt.
Từ lửa đến Nguyên tử luận
Democritus, người đề xuất nguyên tử luận
Điều đang còn tranh luận là việc tự tạo ra lửa phải chăng là phản ứng hóa học đầu tiên con người có thể kiểm soát được. Do thiếu hiểu biết có khoa học mà trong hàng triệu năm nhân loại xem lửa như là một thực thể thần bí có khả năng biến chất này thành chất khác (chẳng hạn đốt cháy gỗ thành than, biến nước sôi thành hơi), tạo ánh sáng và hơi nóng. Lửa có vai trò tối quan trọng trong xã hội sơ khai, dùng cho những sinh hoạt cơ bản như nấu nướng, soi sáng, sưởi ấm đến những kĩ thuật cao thời đó như làm đồ gốm, nung gạch hay nấu chảy kim loại làm vật dụng.
Những triết gia cổ đại trong khi cố gắng hợp lý hóa những vấn đề, chẳng hạn tại sao các chất khác nhau thì có đặc tính (màu, mùi, mật độ) khác nhau, cũng tồn tại ở những trạng thái (khí, lỏng, rắn) khác nhau, đồng thời có phản ứng khác nhau lúc tiếp xúc với môi trường (nước, lửa, nhiệt độ thay đổi) xung quanh, đã đưa ra lý thuyết sơ khởi về tự nhiên hay cụ thể là về hóa học. Những triết thuyết liên quan đến hóa học có thể nhận thấy ở bất kì nền văn minh cổ đại nào, và tựu trung đều cố gắng chỉ ra vài nguyên tố cơ bản cấu thành mọi chất khác tồn tại trong tự nhiên. Từ những khái niệm cụ thể như không khí, nước, đất, lửa, ánh sáng đến trừu tượng hơn như ý thức, thiên đường là những nguyên tố cơ bản rất phổ biến trong nhiều nền văn minh cổ như Hy Lạp, Ấn Độ, Maya, Trung Hoa.[cần dẫn nguồn]
Nguồn gốc của nguyên tử luận được coi là từ Hy Lạp và Ấn Độ cổ.[3] Theo quyển De Rerum Natura (Nguồn gốc vạn vật) của triết gia La Mã Lucretius[4] viết năm 50 trước Công nguyên [5] thì nguyên tử luận Hy Lạp ra đời khoảng năm 440 trước Công nguyên khi hai triết gia Democritusvà Leucippus cho rằng "atom" (nguyên tử) là thành phần cơ bản nhất không thể chia nhỏ của vật chất. Cùng thời này ở Ấn Độ, triết gia Kanadacũng phát biểu tương tự trong tác phẩm Vaisheshika.[3] Tuy vậy, phát biểu của Kanada cũng như Democritus chỉ có ý nghĩa triết học do thiếu dữ liệu thực nghiệm và cũng do thiếu chứng minh một cách khoa học nên ý niệm tồn tại nguyên tử rất dễ bị bác bỏ. Tại Hy Lạp Aristotle đã phản bác sự tồn tại của nguyên tử, còn trường phái Vaisheshika ở Ấn Độ cũng bị phản đối một thời gian dài.
Đa số các phương pháp luận mới mẻ hơn được Pliny già mô tả trong quyển Naturalis Historia. Ông cố gắng giải thích chúng kèm với việc thực hiện nhiều quan sát tinh tế về trạng thái khoáng vật.
Ngành luyện kim hưng khởi
Nhờ lửa con người đã chế tạo thủy tinh, tinh chế kim loại mở đường cho ngành luyện kim ra đời. Nhiều phương pháp tinh chế kim loại được tìm ra trong thời kì đầu của ngành này, còn vàng đã được xem là kim loại quý từ năm 2600 trước Công nguyên ở Ai Cập cổ đại. Việc tìm ra hợp kim dẫn đến thời đại đồ đồng, kế tiếp là thời đại đồ sắt ghi nhận sự cải tiến vũ khí chiến đấu tốt hơn cho quân đội và chính vũ khí thường là lợi thế quyết định trong chiến tranh thời này. Ấn Độ cổ đại là nơi tạo bước tiến triển quan trọng trong ngành luyện kim, giả kim thuật.[6]
Hòn đá của triết gia và sự hưng khởi của giả kim thuật
Tiền nhân rất quan tâm tìm ra giải pháp biến các kim loại rẻ tiền chẳng hạn đồng hay sắt thành vàng. Họ cho rằng có một loại vật liệu gọi là "hòn đá của triết gia" giúp làm được việc đó, và cũng từ đó đã dẫn đến một ngành khoa học sơ khai là giả kim thuật. Ngành này xuất hiện trong nhiều nền văn minh xưa, là sự pha trộn của triết học, thuyết thần bí và phương pháp khoa học sơ khai.
Tác phẩm "Renel nhà giả kim", của Sir William Douglas, năm 1853
Ngành giả kim không chỉ tìm cách biến kim loại thành vàng mà còn gắng tìm cách chế ra nhiều dược phẩm để cải thiện sức khỏe con người, thậm chí cố tìm được thuốc trường sinh giúp con người trẻ mãi. Các nhà giả kim còn cho rằng có một chất gọi là "ête" (tiếng Anh: ether) trong không khí giúp duy trì sự sống mọi loài. Isaac Newton trong đời nghiên cứu của ông cũng làm một vài việc theo cách thức giả kim thuật.
Nan đề của nhà giả kim
Theo cách đánh giá hiện nay thì ngành giả kim thời xưa có nhiều hạn chế, như việc đặt tên cho các chất mới tìm được không theo một hệ thống nào dẫn đến tình trạng có thể cùng một thuật ngữ lại chỉ nhiều đối tượng khác nhau, do đó được hiểu khác nhau.
Kế đến là không có phương pháp nào đủ tiêu chuẩn khoa học để tái tạo các thực nghiệm đã làm. Thậm chí nhiều nhà giả kim đã đưa cả những thông số không mấy phù hợp vào nghiên cứu của mình, như là thời gian theo thủy triều hay theo tuần trăng. Nhiều yếu tố huyền bí cũng như từ ngữ bí truyền dùng trong ngành giả kim dù hữu dụng nhưng không thể làm nhà giả kim lờ đi nan đề là họ cũng không biết nhiều về chúng. Từ đầu thế kỉ 14, cái mã ngoài của giả kim càng lúc càng lộ rõ và người ta bắt đầu nghi ngờ phương pháp này. Thực tế nhân loại cần một phương pháp có khoa học sao cho một thí nghiệm có thể được lặp lại bởi nhiều người khác nhau, còn kết quả thí nghiệm cần được ghi lại bằng một ngôn ngữ rõ ràng để chỉ ra điều gì đã biết hay chưa biết.
Những nhà hóa học tiên phong
Jabir ibn Hayyan (Geber) là một nhà giả kim thuật người A Rập có những nghiên cứu thực nghiệm đã đặt nền móng cho Hóa học.
Người Hồi giáo thuộc khu vực A rập đã dịch nhiều công trình cổ Hy lạp sang tiếng A rập, họ cũng thử nghiệm một số ý tưởng theo phương pháp khoa học. Dù đã biết là phương pháp khoa học hiện đại được phát triển dần dần và tương đối chậm nhưng vài nhà hóa học Hồi giáo như ông Jabir ibn Hayyan (ở châu Âu gọi là ông "Geber"), đã bắt đầu sử dụng phương pháp khoa học trong hóa học từ thế kỉ thứ 9, và ông được đa số xem là "ông tổ ngành hóa học". Ông đưa ra cách tiếp cận có hệ thống dựa trên thực nghiệm trong quá trình nghiên cứu khoa học, và sáng tạo ra nồi chưng cất, phân tích thành phần hóa học nhiều chất, phân biệt kiềm và axit, bào chế nhiều loại thuốc.
Nước cường toan là chất ăn mòn mạnh, có khả năng hòa tan được vàng và bạch kim nhưng lại không hòa tan được tantan, iridi và các kim loại thụ động khác. Nước cường toan là hỗn hợp của axit nitric đậm đặc và axit clohydric đậm đặc. Axit clohydric được Gaber phát hiện vào khoảng năm 800, bằng cách trộn muối ăn (có thành phần chủ yếu là natri clorua) vào dung dịch axit sunfuric.
Nhiều nhà hóa học Hồi giáo khác cũng có ảnh hưởng quan trọng, như Ja'far al-Sadiq, Alkindus, Abū al-Rayhān al-Bīrūnī, Avicenna cũng như Ibn Khaldun …
Tranh luận về sự sống - Hóa học hữu cơ
Sau khi xác định được bản chất sự cháy lại nảy sinh tranh luận về bản chất sự sống cũng như khác biệt căn bản giữa chất vô cơ và hữu cơ khởi từ việc ông Friedrich Wöhler tình cờ tổng hợp được urê (có công thức cấu tạo là CO(NH2)2) từ chất vô cơ năm 1828. Trước thế kỉ XIX, vẫn tồn tại thuyết duy tâm cho rằng hợp chất hữu cơ được sinh ra trong các cơ thể sống và con người không thể tổng hợp chất hữu cơ từ nguồn vô cơ nên phát hiện này đã giáng đòn mạnh vào thuyết duy tâm và thúc đẩy sự ra đời của hóa học hữu cơ. Đến cuối thế kỉ 19 các nhà khoa học đã tổng hợp thành công hàng trăm hợp chất hữu cơ, như màu nhuộm, aspirin.
Sinh học phân tử và Hóa sinh
Bài chi tiết: Lịch sử sinh học phân tử và Lịch sử sinh hóa học
Biểu đồ mô tả một số đặc điểm cấu trúc chính của DNA
Vào giữa thế kỷ 20, về nguyên tắc, sự tích hợp của vật lý và hóa học đã được mở rộng, với các tính chất hóa học được giải thích như là kết quả của cấu trúc điện tử của nguyên tử ; Cuốn sách của Linus Pauling về Tự nhiên của Trái phiếu Hóa học đã sử dụng các nguyên lý cơ học lượng tử để suy ra các góc trái phiếu trong các phân tử phức tạp hơn bao giờ hết. Tuy nhiên, mặc dù một số nguyên lý được rút ra từ cơ học lượng tử có thể tiên đoán một số tính chất hóa học đối với các phân tử liên quan đến sinh học, nhưng đến cuối thế kỷ 20, lại là tập hợp các quy tắc, quan sát và công thức hơn các phương pháp định lượng ab initio nghiêm ngặt.
Cách tiếp cận dựa trên kinh nghiệm này đã thành công năm 1953 khi James Watson và Francis Cricksuy luận cấu trúc xoắn kép của DNA bằng cách xây dựng các mô hình bị ràng buộc bởi và thông báo bởi kiến thức về tính chất hóa học của các phần cấu thành và các mô hình nhiễu xạ tia X thu được bởi Rosalind Franklin . Khám phá này dẫn tới sự bùng nổ của nghiên cứu hóa sinh của cuộc sống.
Trong cùng năm đó, thí nghiệm Miller-Urey đã chứng minh rằng các thành phần cơ bản của protein , các axit amin đơn giản , có thể được tạo ra từ những phân tử đơn giản trong mô phỏng các quá trình nguyên thủy trên trái đất. Mặc dù vẫn còn nhiều câu hỏi về bản chất thực sự của nguồn gốc của cuộc sống, đây là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu thử nghiệm các quy trình giả thuyết trong phòng thí nghiệm dưới điều kiện kiểm soát.
Năm 1983 Kary Mullis đã phát minh ra phương pháp khuếch đại DNA trong ống nghiệm, gọi là phản ứng chuỗi polymerase (PCR), làm cách mạng hóa các quá trình hóa học được sử dụng trong phòng thí nghiệm để điều khiển nó. PCR có thể được sử dụng để tổng hợp các đoạn DNA cụ thể và có thể sắp xếp DNA của các sinh vật, kết quả là trong dự án bộ gen của con người .
Một phần quan trọng trong câu đố bằng xoắn kép đã được giải quyết bởi một trong những sinh viên của Pauling Matthew Meselson và Frank Stahl , kết quả của sự hợp tác của họ ( thí nghiệm Meselson-Stahl ) đã được gọi là "thí nghiệm đẹp nhất trong sinh học".
Họ sử dụng một kỹ thuật ly tâm để phân loại các phân tử theo sự khác biệt về trọng lượng. Vì các nguyên tử nitơ là thành phần của DNA nên chúng được dán nhãn và do đó được theo dõi trong quá trình sao chép trong vi khuẩn.