Lịch sử 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”.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 ông 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.

Từ lửa đến 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 lí 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.

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 viết năm 50 trước Công nguyên thì nguyên tử luận Hy Lạp ra đời khoảng năm 440 trước Công nguyên khi hai triết gia Democritus và 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 Kanada cũng 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 the Elder 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.

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.

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 “ê te” (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.

Từ giả kim thuật đến hóa học

Những nhà hóa học tiên phong

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.

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 đều phản bác thuật giả kim và lý luận kiểu “hòn đá của triết gia” về sự chuyển đổi của kim loại; còn Tusi đưa ra định luật bảo toàn khối lượng ở dạng sơ khai khi ông cho rằng vật chất chỉ thay đổi trạng thái chứ không biến mất. Ông Rhazes là người đầu tiên bác bỏ thuyết của Aristotle về bốn nguyên tố vật chất cơ bản, cũng là một trong những người đặt nền tảng cho hóa học hiện đại qua việc sử dụng phòng thí nghiệm kiểu như ngày nay, thậm chí ông đã tạo ra hơn 20 dụng cụ thí nghiệm mà phần nhiều vẫn còn được dùng đến giờ.

Từ khi nhiều tác phẩm giả kim thuật từ thế giới A rập được dịch sang tiếng Latin một số nhà giả kim nghiêm túc ở châu Âu đã theo đuổi môn này có định hướng và ngày càng làm tốt hơn. Như ông Paracelsus (1493-1541) đã bác bỏ thuyết bốn nguyên tố của Aristotle và chỉ bằng kiến thức về hóa chất và thuốc của mình đã tạo ra một môn kết hợp giả kim và khoa học, dù ông chưa làm cho những thí nghiệm của bản thân có tính khoa học đầy đủ hơn. Lý thuyết mở rộng của ông chỉ ra cách tạo chất mới từ thủy ngân và lưu huỳnh mà ông gọi là “dầu lưu huỳnh”. Có lẽ đây chính là chất dimethyl ether ngày nay, vốn chẳng có thủy ngân lẫn lưu huỳnh.

Những cố gắng cải tiến phương pháp lọc tách quặng lấy kim loại là nguồn thông tin quan trọng với nhiều nhà hóa học tiên phong, chẳng hạn ông Georg Agricola (1494–1555) có tác phẩm kinh điển De re metallica ấn hành năm 1556 bàn về vấn đề này. Ông đã lược bỏ những yếu tố kì bí trong ngành và đưa ra nền tảng thực hành để người khác có thể làm theo. Tác phẩm này đề cập nhiều loại lò nấu quặng, tạo ra sự quan tâm nghiên cứu về khoáng chất cũng như hợp chất của chúng.

Năm 1605 ông Francis Bacon công bố tác phẩm The Proficience and Advancement of Learning được coi là mở đầu cho lý thuyết về phương pháp khoa học. Năm 1615 Jean Beguin công bố tác phẩm Tyrocinium Chymicum là giáo trình hóa học thuộc loại đầu tiên có nêu ra khái niệm phản ứng hóa học.

Ông Robert Boyle (1627–1691) được xem là người xác lập lại phương pháp có tính khoa học cho ngành giả kim, đồng thời làm cho ngành hóa học không chỉ dừng ở thuật giả kim nữa mà tách biệt ra và phát triển mạnh thêm. Ông theo nguyên tử luận nhưng thích gọi “nguyên tử” là corpuscle thay cho atoms. Ông nhận định rằng ở mức độ nhỏ nhất của vật chất là nguyên tử thì tính chất của chúng được duy trì chứ không biến đổi. Ông còn phát minh ra định luật Boyle, viết tác phẩm kinh điển The Sceptical Chymist có bàn đến thuyết nguyên tử của vật chất.

Năm 1754 Joseph Black tách được khí carbon dioxide mà ông gọi là “không khí cô đặc”. Carl Wilhelm Scheele và Joseph Priestly độc lập nhau tìm ra khí ôxi mà họ gọi là “khí cháy”. Joseph Proust đưa ra định luật xác nhận các nguyên tố kết hợp nhau theo một tỉ lệ nguyên làm thành hợp chất. Năm 1800 ông Alessandro Volta là người đầu tiên chế ra pin và thiết lập quy tắc cho môn điện hóa học. Năm 1803 John Dalton nêu định luật Dalton mô tả quan hệ giữa các thành phần trong một hỗn hợp khí cùng ảnh hưởng của áp suất từng loại lên tổng thể hỗn hợp. Ở Nga, ông Mikhail Lomonosov là người khai mở ngành hóa học đồng thời bác bỏ lý thuyết quá trình cháy và nêu ra thuyết động học chất khí. Ông xem nhiệt là một loại chuyển động, đề xuất ý tưởng về định luật bảo toàn vật chất.

Antoine Lavoisier

Tuy rằng nhiều nhà hóa học tiên phong từ thời cổ Hy Lạp, cổ Ai Cập đến thời kì A rập, Ba Tư có đóng góp cơ bản cho ngành nhưng ông Antoine Lavoisier mới được xem là người khai sinh hóa học hiện đại. Ông đưa ra định luật bảo toàn khối lượng, còn gọi là định luật Lavoisier năm 1789 và nhờ đó ngành hóa học có được phương pháp định lượng nghiêm ngặt giúp thiết lập những dự đoán tin cậy. Ông còn nổi danh bởi lý thuyết quá trình cháy đề xuất năm 1783.

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 u rê từ chất vô cơ năm 1828. Trước đó chưa có một chất hữu cơ nào được tổng hợp từ nguồn hữu cơ, nên phát hiện này đã dẫn đến sự ra đời của hóa học hữu cơ và đến cuối thế kỉ 19 các nhà khoa học đã tổng hợp thành công hàng trăm hợp chất hữu cơ, như màu nhuộm, aspirin.

Một bài viết khác tại FORUM