Những học thuyết hóa học đầu tiên (Phần 1 - Thuyết nhiệt tố)

Một thời gian dài vật lý bị bó hẹp trong lĩnh vực cơ học, để nghiên cứu nó người ta sử dụng chủ yếu là phương pháp định lượng. Trong khi đó để mô tả các đối tượng và các hiện tượng trong hóa học họ lại sử dụng phương pháp định tính. Việc sử dụng phương pháp nghiên cứu định lượng, mà trước tiên phép cân đã trở thành một bước đi đầu tiên để hóa học trở thành môn khoa học thực sự.
Cho đến giữa thế kỷ XVII các nhà khoa học tự nhiên chưa dành sự quan tâm cần thiết cho việc phân tích hóa học mà chỉ hạn chế trong việc phân tích khảo nghiệm kim loại và một vài hợp chất. Robert Boyle xem hóa học "không giống như bác sĩ, không phải là một nhà giả kim thuật, mà cần xem nó như là một triết gia", không thể chỉ sử dụng một cách hệ thống vài phản ứng để nhận biết các chất, mà còn cần nghiên cứu định lượng các phản ứng hóa học. Do ảnh hưởng của truyền thống giả kim thuật, Boyle đã nghiên cứu hiện tượng của quá trình đốt cháy, nung  kim loại và quá trình hô hấp. Ông nhận thấy rằng khi đốt cháy các chất hữu cơ luôn tạo thành nước. Ngoài ra, bằng cách sử dụng phép cân đong, ông đã chỉ ra rằng khi nung kim loại dẫn đến làm tăng khối lượng. Hiện tượng này đã đưa ông đến với ý tưởng về sự tồn tại của các "hạt lửa", có vẻ như tham gia vào quá trình oxy hóa một thành phần nào đó của không khí. Nhiều nhà nghiên cứu khác không đồng ý với quan điểm của Boyle, trong đó có cả Lomonosov, người giả định sự tồn tại của "các hạt không khí." 

 

 

Georg Ernst Stahl (1659-1734) - nhà hóa học và bác sĩ người Đức, bác sĩ của vua Prussia. Trong thời gian 22 năm làm công tác giảng dạy ông đã đào tạo được rất nhiều học trò, những người mà sau này trở thành những tuyên truyền viên cho thuyết nhiệt tố của họ.

Vào giai đoạn thế kỷ XVII-XVIII học thuyết hóa học đầu tiên đã xuất hiện - thuyết nhiệt tố (phlogiston theory). Nhà hóa học Đức và bác sĩ Johann Joachim Becher (1635-1682) đã để ý đến sự biến đổi khối lượng kim loại và các chất khác khi bị nung nóng. Trong cuốn sách "Vật lý ngầm", được xuất bản năm 1669, ông đã trình bày quan điểm cho rằng tất cả khoáng chất (bao gồm cả kim loại) chứa ba loại "đất" khác nhau là: dạng thủy tinh, dạng cháy (hoặc chất béo) và dạng dễ bay hơi (hay thủy ngân). Becher kết luận rằng kim loại trong quá trình nung và chất cháy trong quá trình cháy làm mất "đất cháy".
Quan điểm của Becher là cơ sở cho sự ra đời lý thuyết nhiệt tố, những luận điểm chính của lý thuyết này được xây dựng bởi nhà khoa học Đức E.Stahl. Thuyết nhiệt tố dùng để để giải thích quá trình cháy và quá trình oxy hóa. Theo lý thuyết này, tất cả các chất đều chứa nhiệt tố (Từ tiếng Hy Lạp "Flogistos" - dễ cháy), nhiệt tố này sẽ bị mất khi cháy và nung nóng. Ví dụ, các kim loại khi bị nung nóng  sẽ nhường  nhiệt tố, và chuyển thành oxit, còn khi thêm vào quặng một lượng nhiệt tố từ than sẽ thu chất chưa bị ôxy hóa – đó là kim loại. Bởi vì quá trình ôxy hóa một chất khối lượng của sản phẩm lớn hơn khối lượng chất bị oxy hóa, nên nhiệt tố (phlogiston) được bổ chính thêm là "khối lượng âm". Người ta cho rằng, nhiệt tố tồn tại với tư cách là một dạng vật chất chỉ khi nào nó được kết hợp với các chất khác trong những vật phức tạp, còn khi nung nóng những vật thể  này nó được biểu hiện dưới dạng lửa. Nhiều nhà hóa học cũng đã cố gắng thử tách nhiệt tố tự do ra khỏi vật thể phức tạp.
 Những người ủng hộ lý thuyết của nhiệt tố gọi các oxit kim loại là những nguyên tố, xem chúng giống như kim loại không có nhiệt tố. Trái lại, kim loại được coi là hợp chất của các nguyên tố (các oxit kim loại) với nhiệt tố. Vì vậy, phản ứng oxy hóa là sự mất đi nhiệt tố, và phản ứng khử – chính là sự thu nhận nhiệt tố. Sự đơn giản của lý thuyết này giúp cho việc giảng dạy hóa học trong các trường đại học được dễ dàng, góp phần không nhỏ trong việc phổ biến nó ra trong giới khoa học.

Hóa học 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 chất khí 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, bồ tạt, 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.

 

Helmont Jan Baptist Van (1579-1644) – nhà tự nhiên học người Hà Lan, được xem là người sáng lập ra môn hóa y học. Là người đưa ra thuật ngữ “khí”. Ông là người đầu tiên thí nghiệm nghiên cứu quá trình sinh dưỡng của thực vật.

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.

 

Hình 2.1. Bình thu khí Hales

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.

 

J. Priestley (1733-1804) – nhà hóa học - triết học người Anh, một trong những người sáng lập lên các phương pháp hóa học nghiên cứu các chất khí. Ông nghiên cứu khí CO2 “không khí, khí thải của quá trình cháy và thở” được làm sạch bởi các loại thực vật xanh. Ông là người tìm ra khí oxi.

 Black Joseph (1728-1799) – là nhà vật lý - hóa học người Scotlen. Bên cạnh những nghiên cứu nền tảng của lĩnh vực hóa học chất khí, ông còn tham gia nghiên cứu những hiện tượng nhiệt

 

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.

 

K. Scheele (1742-1786) – nhà hóa học người Thụy Điển. 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 số 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 các 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 tính không đổi của thành phần không khí và tỷ lệ phần trăm các thành 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 một ai trong số các nhà nghiên cứu còn nghi ngờ rằng chúng khác với không khí, ông tổ của tất cả các loại khí.

Sự phục hưng của thuyết nguyên tử

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.

Robert Boyle (1627-1691)- nhà vật lý- hóa học người Anh. Ông cho rằng hóa học có thể trở lên độc lập thực sự bằng cách tách ra khỏi giả kim thuật và y học. Năm 1661 trong sách “nhà hóa học – người hoài nghi”, ông đã phát biểu định nghĩa đầu tiên về nguyên tố hóa học. Ông cũng phát triển thuyết nguyên tử và minh chứng bằng thực nghiệm, góp phần giúp hóa học trở thành một bộ môn khoa học thực sự, đưa phương pháp nghiên cứu thực nghiệm vào hóa học mà sau này trở thành nền tảng cho môn hóa phân tích. Năm 1663, ông phát hiện ra rằng địa y “quỳ” thay đổi màu sắc phụ thuộc vào độ axit của môi trường, và là người đầu tiên sử dụng nó trong thực nghiệm để làm thuốc thử axit- bazơ.

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.
 

 Mikhail Vasilyevich Lomonosov (1711-1765) - nhà bác học người Nga, viện  sĩ viện hàn lâm Peterburg từ năm 1745. Ông là người thành lập phòng thí nghiệm hóa học của viện hàn lâm, cùng thời điểm đó ông cũng nghiên cứu trong nhà máy thủy tinh gần Peterburg. Những nghiên cứu của ông về các lĩnh vực như: toán học, vật lý, hóa học, địa chất, thổ nhưỡng, thiên văn học. Ông là một trong những viện sĩ Nga đầu tiên tham gia viết sách về hóa học và luyện kim. Ông được giao nhiệm vụ thành lập trường đại học Matxcơva, ông là người khởi xướng dự án cũng như viết chương trình học. Ông viết nhiều công trình nghiên cứu về lịch sử, kinh tế, triết học, người đặt nền móng cho nền văn học Nga hiện đại.

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 phân biệt  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 cầu.

Lịch sử thế giới hóa học (p.6 Hóa học thực hành)

Từ nhu cầu của ngành luyện kim và y học đã dẫn đến sự phát triển của giả kim thuật thực hành ở Ai Cập. Vào thế kỷ XVI-XVII xuất hiện những mô tả dễ hiểu, có hệ thống cho khái niệm của một số quá trình hóa học mà không cần sử dụng ngôn ngữ bí ẩn "thần bí". Tác giả của những tác phẩm này là những người có chuyên môn trong lĩnh vực khoa học thực hành (luyện kim, nhuộm, gốm sứ, thủy tinh), hoàn toàn độc lập với mục tiêu chính của nghiên cứu giả kim thuật. Sự phát triển kĩ thuật hóa học yêu cầu phải tiến hành nghiên cứu, không chỉ với sản phẩm cuối mà còn đối với nguyên liệu đầu. Đây là nhân tố hình thành lên phương pháp phân tích hóa học.
Nhà khoa học Đức Georg Agricola - tác giả của tác phẩm "Về khai khoáng và Luyện kim", đã đưa ra ý tưởng của mình dựa trên các quan niệm của thuật giả kim. Đồng thời, ông là một trong những người đầu tiên chỉ trích mục đích của các nhà giả kim thuật và phương pháp hóa học của họ. Agricola được coi là người sáng lập của "nghệ thuật thí nghiệm" - phương pháp luận định lượng hàm lượng kim loại trong quặng và vật liệu.

 Agricola (tên latinh Georg Bauer) (1494 hoặc 1490-1565) - bác sĩ, nhà luyện kim và nhà khoáng vật học người Đức. Sau khi rời bỏ nghề y, tham gia vào công việc khai thác mỏ. Tác phẩm chính của ông "Về khai khoáng và Luyện kim" (12 cuốn sách) hơn hai thế kỷ là sách gối đầu giường về phương pháp khai thác khoáng, luyện kim và nghệ thuật thí nghiệm.

Còn một nhà cải cách giả kim thuật nữa đó là một học giả vĩ đại người Đức Theophrastus Paracelsus - người sáng lập của hóa dược giả kim thuật, nó xuất phát từ nỗ lực kết hợp y học với hóa học. Ý tưởng của Paracelsus hình thành lên cơ sở của hóa dược. Ông xem các quá trình xảy ra trong cơ thể như các hiện tượng hóa học, còn bệnh tật như là một kết quả của sự vi phạm cân bằng hóa học. Vì lý do này, các nhà hóa dược giả kim thuật thực hiện việc tìm kiếm các hóa chất cần thiết để điều trị cho bệnh nhân. Paracelsus, phỏng theo ý tưởng của các nhà giả kim thuật rằng vật chất cấu tạo từ ba phần - thủy ngân, lưu huỳnh và muối, mà chúng tương ứng với các thuộc tính dễ bay hơi, dễ cháy, và cứng rắn. Tuy nhiên, ông đã nhìn thấy mục đích chính của thuật giả kim trong việc bào chế các loại thuốc, chứ không phải là tìm "hòn đá triết học".

 

Theophrastus Paracelsus, tên thật - Philis Aureol Theophrast Bombast von Hohenheim (1493-1541) - bác sĩ và nhà tự nhiên người Đức. Một trong những nhà sáng lập hóa dược giả kim thuật. Đưa vào thực tế các loại thuốc hóa học mới (chẳng hạn như dược phẩm làm se da), sử dụng nước khoáng cho mục đích y học.

Khi sử dụng những thành tựu của hóa học kỹ thuật, các nhà hóa dược giả kim thuật đã điều chế được và nghiên cứu các chất vô cơ khác nhau, bao gồm cả chế phẩm của antimon(Sb), asen(As), thủy ngân(Hg) và bạc(Ag). Họ đã nghiên cứu và mô tả chi tiết một số các hợp chất hữu cơ, trong đó có axit acetic, succinic, và benzoic.
Theo mức độ tích lũy kiến thức về các biến đổi hóa học thực tế của các chất trong hiệp hội khoa học người ta ngày càng tỏ thái độ không đồng tình với những mánh khóe của các nhà giả kim thuật. Tuy nhiên, giả kim thuật không mất ngay vị thế của nó. Nhiều nhà khoa học nổi tiếng, bao gồm cả Isaac Newton, không thoát khỏi niềm đam mê với thuật giả kim, đã dành không ít thời gian tìm kiếm "hòn đá triết học".

Isaac Newton (1643-1727) - nhà toán học người Anh, kỹ sư, nhà thiên văn học và vật lý học, người sáng lập của cơ học cổ điển. Người ủng hộ thuyết nguyên tử trong cấu trúc vật chất. Phát triển lý thuyết hạt của ánh sáng, nhưng ở các giai đoạn khác nhau xem xét khả năng tồn tại và tính chất sóng của ánh sáng, cố gắng để tạo ra lý thuyết sóng hạt của ánh sáng.
Các dân tộc sống trong lãnh thổ nước Nga hiện nay, trong từ nhiều thế kỷ đã tích lũy các kiến thức hóa học liên quan tới thực hành. Trong tài liệu tham khảo y học Nga cổ đại (dược thảo), có thể tìm thấy không chỉ đơn thuốc sản xuất nước thuốc (sắc) và thuốc mỡ sử dụng các loại thực vật khác nhau, mà còn mô tả một số thao tác hóa học (chưng cất, lọc, kết tinh). Trong số các đơn thuốc, có thể thấy được những mô tả phương pháp điều chế axit nitric, chế xà phòng, sản xuất sơn. Vào cuối thế kỷ XVI - đầu thế kỷ XVII tại Nga đã sản xuất  được kali nitrat, sản xuất thuốc súng, nấu luyện gang trong lò cao nhỏ - lò thủ công, cũng đã dần ổn định sản xuất kim loại màu, đặc biệt là đồng, bạc, thiếc và chì.