Hóa Học - Môn học nhiều người sợ hãi (Phần 1)

Hóa học, ngành khoa học liên quan đến các đặc tính, thành phần và cấu trúc của các chất (được định nghĩa là các nguyên tố và hợp chất), các biến đổi mà chúng trải qua và năng lượng được giải phóng hoặc hấp thụ trong các quá trình này. Mọi chất, dù sản sinh tự nhiên hay nhân tạo, đều bao gồm một hoặc nhiều trong số hàng trăm loại nguyên tử đã được xác định là nguyên tố. Mặc dù đến lượt mình, những nguyên tử này được cấu tạo bởi nhiều hạt cơ bản hơn, nhưng chúng là những khối cấu tạo cơ bản của các chất hóa học; Ví dụ, không có lượng oxy, thủy ngân hoặc vàng nhỏ hơn một nguyên tử của chất đó. Do đó, hóa học không quan tâm đến miền hạ nguyên tử mà quan tâm đến các thuộc tính của nguyên tử và các quy luật chi phối sự kết hợp của chúng và cách sử dụng kiến ​​thức về các đặc tính này để đạt được những mục đích cụ thể.

Thách thức lớn trong hóa học là việc phát triển một lời giải thích mạch lạc về hành vi phức tạp của vật liệu, tại sao chúng lại xuất hiện như vậy, điều gì mang lại cho chúng những đặc tính lâu bền và cách thức tương tác giữa các chất khác nhau có thể dẫn đến sự hình thành các chất mới và sự phá hủy của những cái cũ. Từ những nỗ lực đầu tiên để hiểu thế giới vật chất bằng các thuật ngữ duy lý, các nhà hóa học đã phải vật lộn để phát triển các lý thuyết về vật chất giải thích thỏa đáng cả tính lâu dài và sự thay đổi. Sự lắp ráp có trật tự của các nguyên tử không thể phân hủy thành các phân tử lớn và nhỏ, hoặc mạng lưới mở rộng của các nguyên tử xen kẽ, thường được chấp nhận như là cơ sở của tính lâu dài, trong khi việc tổ chức lại các nguyên tử hoặc phân tử thành những cách sắp xếp khác nhau nằm sau các lý thuyết về sự thay đổi. Vì vậy, hóa học liên quan đến việc nghiên cứu thành phần nguyên tử và kiến ​​trúc cấu trúc của các chất, cũng như các tương tác đa dạng giữa các chất có thể dẫn đến các phản ứng đột ngột, thường là bạo lực.

Hóa học cũng liên quan đến việc sử dụng các chất tự nhiên và tạo ra các chất nhân tạo. Nấu ăn, lên men, làm thủy tinh và luyện kim là tất cả các quá trình hóa học có từ thuở sơ khai của nền văn minh. Ngày nay, vinyl, Teflon, tinh thể lỏng, chất bán dẫn và chất siêu dẫn là những thành quả của công nghệ hóa học. Thế kỷ 20 đã chứng kiến ​​những tiến bộ vượt bậc trong việc lĩnh hội hóa học kỳ diệu và phức tạp của các sinh vật sống, và việc giải thích phân tử về sức khỏe và bệnh tật có nhiều hứa hẹn. Hóa học hiện đại, được hỗ trợ bởi các công cụ ngày càng tinh vi, nghiên cứu các vật liệu nhỏ như các nguyên tử đơn lẻ và lớn và phức tạp như DNA (axit deoxyribonucleic), chứa hàng triệu nguyên tử. Các chất mới thậm chí có thể được thiết kế để mang các đặc tính mong muốn và sau đó được tổng hợp. Tỷ lệ kiến ​​thức hóa học tiếp tục được tích lũy là đáng kể. Theo thời gian, hơn 8.000.000 chất hóa học khác nhau, cả tự nhiên và nhân tạo, đã được đặc trưng và sản xuất. Con số gần đây là dưới 500.000 người vào năm 1965.

Liên kết mật thiết với những thách thức trí tuệ của hóa học là những thách thức liên quan đến công nghiệp. Vào giữa thế kỷ 19, nhà hóa học người Đức Justus von Liebig nhận xét rằng sự giàu có của một quốc gia có thể được đánh giá bằng lượng axit sunfuric mà quốc gia đó sản xuất. Axit này, cần thiết cho nhiều quy trình sản xuất, ngày nay vẫn là sản phẩm hóa chất hàng đầu của các nước công nghiệp phát triển. Như Liebig đã công nhận, một quốc gia sản xuất một lượng lớn axit sulfuric là một quốc gia có nền công nghiệp hóa chất mạnh và một nền kinh tế mạnh nói chung. Việc sản xuất, phân phối và sử dụng nhiều loại sản phẩm hóa chất là điều phổ biến ở tất cả các quốc gia phát triển cao. Trên thực tế, người ta có thể nói rằng “thời đại đồ sắt” của nền văn minh đang được thay thế bằng “thời đại polyme”, vì ở một số quốc gia, tổng khối lượng polyme được sản xuất hiện nay vượt quá khối lượng sắt.

Những ngày đã qua quá lâu khi một người có thể hy vọng có kiến thức chi tiết về tất cả các lĩnh vực hóa học. Những người theo đuổi sở thích của họ trong các lĩnh vực hóa học cụ thể giao tiếp với những người khác có cùng sở thích. Theo thời gian, một nhóm các nhà hóa học có sở thích nghiên cứu chuyên biệt trở thành những thành viên sáng lập của một lĩnh vực chuyên môn. Các lĩnh vực chuyên môn hóa xuất hiện sớm trong lịch sử hóa học, chẳng hạn như hóa học hữu cơ, vô cơ, vật lý, phân tích và công nghiệp, cùng với hóa sinh, vẫn được quan tâm nhiều nhất. Tuy nhiên, đã có nhiều sự phát triển trong các lĩnh vực polyme, môi trường và hóa dược trong thế kỷ 20. Hơn nữa, các chuyên ngành mới tiếp tục xuất hiện, chẳng hạn như thuốc trừ sâu, pháp y và hóa học máy tính.

Hầu hết các vật chất xuất hiện trên Trái đất, chẳng hạn như gỗ, than đá, khoáng chất hoặc không khí, là hỗn hợp của nhiều chất hóa học khác nhau và riêng biệt. Mỗi chất hóa học tinh khiết (ví dụ: oxy, sắt hoặc nước) có một tập hợp các tính chất đặc trưng giúp nhận dạng hóa học của nó. Ví dụ, sắt là một kim loại màu trắng bạc phổ biến, nóng chảy ở 1,535 ° C, rất dễ uốn và dễ dàng kết hợp với oxy để tạo thành các chất phổ biến hematit và magnetit. Việc phát hiện sắt trong một hỗn hợp kim loại, hoặc trong một hợp chất như magnetit, là một nhánh của hóa học phân tích được gọi là phân tích định tính. Phép đo lượng thực tế của một chất nhất định trong một hợp chất hoặc hỗn hợp được gọi là phép phân tích định lượng. Ví dụ, phép đo phân tích định lượng đã xác định rằng sắt chiếm 72,3% tính theo khối lượng của magnetit, loại khoáng chất thường được coi là cát đen dọc theo các bãi biển và bờ suối. Trong nhiều năm, các nhà hóa học đã phát hiện ra các phản ứng hóa học chỉ ra sự có mặt của các nguyên tố như vậy bằng cách tạo ra các sản phẩm dễ nhìn thấy và dễ nhận biết. Sắt có thể được phát hiện bằng phương pháp hóa học nếu nó có trong mẫu với số lượng từ 1 phần triệu trở lên. Một số thử nghiệm định tính rất đơn giản cho thấy sự hiện diện của các nguyên tố hóa học cụ thể với lượng nhỏ hơn. Màu vàng do natri truyền vào ngọn lửa có thể nhìn thấy được nếu mẫu được đốt cháy có ít nhất là một phần tỷ gam natri. Các thử nghiệm phân tích như vậy đã cho phép các nhà hóa học xác định các loại và lượng tạp chất trong các chất khác nhau và xác định các đặc tính của vật liệu rất tinh khiết. Các chất được sử dụng trong các thí nghiệm thông thường trong phòng thí nghiệm thường có mức tạp chất nhỏ hơn 0,1%. Đối với các ứng dụng đặc biệt, người ta có thể mua các hóa chất có tổng tạp chất nhỏ hơn 0,001 phần trăm. Việc xác định các chất tinh khiết và phân tích các hỗn hợp hóa học cho phép tất cả các ngành hóa học khác phát triển.

Tầm quan trọng của hóa học phân tích chưa bao giờ lớn hơn ngày nay. Nhu cầu trong các xã hội hiện đại về nhiều loại thực phẩm an toàn, hàng tiêu dùng hợp túi tiền, năng lượng dồi dào và công nghệ tiết kiệm lao động đang đặt ra gánh nặng lớn cho môi trường. Tất cả các hoạt động sản xuất hóa chất đều tạo ra chất thải ngoài các chất mong muốn, và việc xử lý chất thải không phải lúc nào cũng được thực hiện cẩn thận. Sự phá vỡ môi trường đã xảy ra kể từ buổi bình minh của nền văn minh, và các vấn đề ô nhiễm đã gia tăng cùng với sự gia tăng dân số toàn cầu. Các kỹ thuật hóa học phân tích chủ yếu dựa vào để duy trì một môi trường lành tính. Các chất không mong muốn trong nước, không khí, đất và thực phẩm phải được xác định, cố định điểm xuất xứ của chúng và phát triển các phương pháp an toàn, tiết kiệm để loại bỏ hoặc trung hòa chúng. Khi lượng chất ô nhiễm được coi là nguy hiểm đã được đánh giá, điều quan trọng là phải phát hiện các chất có hại ở nồng độ thấp hơn mức nguy hiểm. Các nhà hóa học phân tích tìm cách phát triển các kỹ thuật và dụng cụ ngày càng chính xác và nhạy bén.

Các dụng cụ phân tích tinh vi, thường được kết hợp với máy tính, đã cải thiện độ chính xác mà các nhà hóa học có thể xác định các chất và giảm giới hạn phát hiện. Một kỹ thuật phân tích thường được sử dụng là sắc ký khí, phương pháp này tách các thành phần khác nhau của hỗn hợp khí bằng cách cho hỗn hợp đi qua một cột dài, hẹp của vật liệu hấp thụ nhưng xốp. Các khí khác nhau tương tác khác nhau với vật liệu hấp thụ này và đi qua cột với tốc độ khác nhau. Khi các khí riêng biệt chảy ra khỏi cột, chúng có thể được đưa vào một dụng cụ phân tích khác được gọi là khối phổ, dùng để phân tách các chất theo khối lượng của các ion thành phần của chúng. Máy sắc ký khí - khối phổ kết hợp có thể nhanh chóng xác định các thành phần riêng lẻ của một hỗn hợp hóa học mà nồng độ của chúng có thể không lớn hơn vài phần tỷ. Có thể thu được độ nhạy tương tự hoặc thậm chí lớn hơn trong các điều kiện thuận lợi bằng cách sử dụng các kỹ thuật như hấp thụ nguyên tử, phân cực và kích hoạt neutron. Tốc độ đổi mới công cụ cao đến mức các công cụ phân tích thường trở nên lỗi thời trong vòng 10 năm kể từ khi được giới thiệu. Các thiết bị mới hơn chính xác hơn và nhanh hơn và được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực môi trường và hóa dược.

Hóa học hiện đại, ít nhiều ra đời từ khi chấp nhận định luật bảo toàn khối lượng vào cuối thế kỷ 18, ban đầu tập trung vào những chất không liên quan đến cơ thể sống. Nghiên cứu các chất như vậy, thường có ít hoặc không có cacbon, cấu thành bộ môn hóa học vô cơ. Công việc ban đầu đã tìm cách xác định các chất đơn giản - cụ thể là các nguyên tố - là thành phần của tất cả các chất phức tạp hơn. Một số nguyên tố, chẳng hạn như vàng và carbon, đã được biết đến từ thời cổ đại, và nhiều nguyên tố khác đã được phát hiện và nghiên cứu trong suốt thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20. Ngày nay, hơn 100 người được biết đến. Việc nghiên cứu các hợp chất vô cơ đơn giản như natri clorua (muối thông thường) đã dẫn đến một số khái niệm cơ bản của hóa học hiện đại, quy luật tỷ lệ xác định cung cấp một ví dụ đáng chú ý. Định luật này nói rằng đối với hầu hết các chất hóa học tinh khiết, các nguyên tố cấu thành luôn có mặt theo tỷ lệ cố định theo khối lượng (ví dụ, cứ 100 gam muối thì chứa 39,3 gam natri và 60,7 gam clo). Dạng tinh thể của muối, được gọi là halit, bao gồm các nguyên tử natri và clo xen kẽ, mỗi nguyên tử natri cho một nguyên tử clo. Một hợp chất như vậy, được tạo thành chỉ bằng sự kết hợp của hai nguyên tố, được gọi là hợp chất nhị phân. Các hợp chất nhị phân rất phổ biến trong hóa học vô cơ, và chúng ít thể hiện sự đa dạng về cấu trúc. Vì lý do này, số lượng các hợp chất vô cơ bị hạn chế mặc dù số lượng lớn các nguyên tố có thể phản ứng với nhau. Nếu ba hoặc nhiều nguyên tố được kết hợp trong một chất, khả năng cấu trúc sẽ trở nên lớn hơn.

Sau một thời gian im ắng vào đầu thế kỷ 20, hóa học vô cơ lại trở thành một lĩnh vực nghiên cứu thú vị. Các hợp chất của bo và hydro, được gọi là boranes, có các đặc điểm cấu trúc độc đáo buộc phải thay đổi suy nghĩ về kiến ​​trúc của các phân tử vô cơ. Một số chất vô cơ có các đặc điểm cấu trúc từ lâu được cho là chỉ xuất hiện trong các hợp chất cacbon, và một số ít polyme vô cơ thậm chí đã được sản xuất. Gốm sứ là vật liệu được cấu tạo từ các nguyên tố vô cơ kết hợp với oxy. Trong nhiều thế kỷ, các đồ vật bằng gốm đã được tạo ra bằng cách nung nóng mạnh một chiếc bình được tạo thành từ một hỗn hợp khoáng chất dạng bột. Mặc dù gốm sứ khá cứng và ổn định ở nhiệt độ rất cao, nhưng chúng thường giòn. Hiện nay, loại gốm mới đủ mạnh để dùng làm cánh tuabin trong động cơ phản lực đang được sản xuất. Người ta hy vọng một ngày nào đó gốm sứ sẽ thay thế thép trong các thành phần của động cơ đốt trong. Năm 1987, một loại gốm có chứa yttrium, bari, đồng và oxy, với công thức gần đúng là YBa2Cu3O7, được tìm thấy là chất siêu dẫn ở nhiệt độ khoảng 100 K. Một chất siêu dẫn không có khả năng chống lại dòng điện chạy qua, và đây là loại gốm rất có thể được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điện và từ. Một loại gốm siêu dẫn rất đơn giản để chế tạo nó có thể được điều chế trong phòng thí nghiệm của trường trung học. Khám phá của nó minh họa tính không thể đoán trước của hóa học, vì những khám phá cơ bản vẫn có thể được thực hiện với thiết bị đơn giản và vật liệu rẻ tiền.

Nhiều phát triển thú vị nhất trong hóa học vô cơ thu hẹp khoảng cách với các ngành khác. Hóa học cơ kim nghiên cứu các hợp chất có chứa các nguyên tố vô cơ kết hợp với các đơn vị giàu cacbon. Nhiều hợp chất cơ kim đóng một vai trò quan trọng trong hóa học công nghiệp như chất xúc tác, là những chất có khả năng đẩy nhanh tốc độ của phản ứng ngay cả khi chỉ xuất hiện với một lượng rất nhỏ. Một số thành công đã đạt được trong việc sử dụng các chất xúc tác như vậy để chuyển đổi khí tự nhiên thành các chất hóa học có liên quan nhưng hữu ích hơn. Các nhà hóa học cũng đã tạo ra các phân tử vô cơ lớn chứa lõi các nguyên tử kim loại, chẳng hạn như bạch kim, được bao bọc bởi một lớp vỏ gồm các đơn vị hóa học khác nhau. Một số hợp chất này, được gọi là các cụm kim loại, có các đặc điểm của kim loại, trong khi những hợp chất khác phản ứng theo những cách tương tự như các hệ sinh học. Một lượng nhỏ kim loại trong các hệ thống sinh học rất cần thiết cho các quá trình như hô hấp, chức năng thần kinh và chuyển hóa tế bào. Các quá trình dạng này là đối tượng nghiên cứu của hóa học vô cơ. Mặc dù các phân tử hữu cơ từng được cho là đặc điểm hóa học phân biệt của các sinh vật sống, nhưng ngày nay người ta đã biết rằng hóa học vô cơ cũng đóng một vai trò quan trọng.

Các hợp chất hữu cơ dựa trên tính chất hóa học của cacbon. Carbon là duy nhất về sự đa dạng và mức độ cấu trúc có thể là kết quả của các kết nối ba chiều của các nguyên tử của nó. Quá trình quang hợp chuyển đổi carbon dioxide và nước thành oxy và các hợp chất được gọi là carbohydrate. Cả xenlulo, chất tạo độ cứng cho cấu trúc của thực vật và tinh bột, sản phẩm dự trữ năng lượng của thực vật, đều là cacbohydrat cao phân tử. Carbohydrate đơn giản được tạo ra từ quá trình quang hợp tạo thành nguyên liệu cho vô số hợp chất hữu cơ có trong giới thực vật và động vật. Khi kết hợp với một lượng khác nhau của hydro, oxy, nitơ, lưu huỳnh, phốt pho và các nguyên tố khác, khả năng cấu trúc của các hợp chất cacbon trở nên vô hạn và số lượng của chúng vượt xa tổng số tất cả các hợp chất vô cơ. Trọng tâm chính của hóa học hữu cơ là phân lập, tinh chế và nghiên cứu cấu trúc của các chất có trong tự nhiên này. Nhiều sản phẩm tự nhiên là các phân tử đơn giản. Ví dụ bao gồm axit fomic (HCO2H) trong kiến, rượu etylic (C2H5OH) trong trái cây lên men và axit oxalic (C2H2O4) trong lá cây đại hoàng. Các sản phẩm tự nhiên khác, chẳng hạn như penicillin, vitamin B12, protein và axit nucleic, cực kỳ phức tạp. Việc phân lập các sản phẩm tự nhiên thuần túy khỏi sinh vật chủ của chúng gặp khó khăn do nồng độ thấp mà chúng có thể có mặt. Tuy nhiên, một khi chúng được phân lập ở dạng tinh khiết, các kỹ thuật công cụ hiện đại có thể tiết lộ các chi tiết cấu trúc đối với những lượng có trọng lượng nhỏ nhất là một phần triệu gam. Mối tương quan giữa các tính chất vật lý và hóa học của các hợp chất với các đặc điểm cấu trúc của chúng là lĩnh vực của hóa học hữu cơ vật lý. Một khi các thuộc tính được ban tặng cho một chất bởi các đơn vị cấu trúc cụ thể được gọi là nhóm chức được biết đến, thì có thể thiết kế các phân tử mới có thể thể hiện các đặc tính mong muốn. Việc chuẩn bị, trong điều kiện phòng thí nghiệm được kiểm soát, các hợp chất cụ thể được gọi là hóa học tổng hợp. Một số sản phẩm dễ tổng hợp hơn là thu thập và tinh chế từ các nguồn tự nhiên của chúng. Ví dụ, hàng tấn vitamin C được tổng hợp hàng năm. Nhiều chất tổng hợp có các đặc tính mới khiến chúng trở nên đặc biệt hữu ích. Nhựa là một ví dụ điển hình, cũng như nhiều loại thuốc và hóa chất nông nghiệp. Một thách thức liên tục đối với các nhà hóa học tổng hợp là sự phức tạp về cấu trúc của hầu hết các chất hữu cơ. Để tổng hợp một chất mong muốn, các nguyên tử phải được nối với nhau theo đúng thứ tự và với các mối quan hệ ba chiều thích hợp. Giống như một đống gỗ và gạch nhất định có thể được lắp ráp theo nhiều cách để xây dựng những ngôi nhà với nhiều kiểu dáng khác nhau, thì một số nguyên tử cố định cũng có thể được kết nối với nhau theo nhiều cách khác nhau để tạo ra các phân tử khác nhau. Chỉ có một sự sắp xếp cấu trúc trong số rất nhiều khả năng sẽ giống với một phân tử xuất hiện tự nhiên. Ví dụ, thuốc kháng sinh erythromycin chứa 37 carbon, 67 nguyên tử hydro và 13 nguyên tử oxy, cùng với một nguyên tử nitơ. Ngay cả khi liên kết với nhau theo thứ tự thích hợp, 118 nguyên tử này có thể tạo ra 262.144 cấu trúc khác nhau, chỉ một trong số đó có các đặc điểm của erythromycin tự nhiên. Sự phong phú tuyệt vời của các hợp chất hữu cơ, vai trò cơ bản của chúng trong hóa học của sự sống, và sự đa dạng về cấu trúc của chúng đã làm cho việc nghiên cứu của họ trở nên đặc biệt khó khăn và thú vị. Hóa học hữu cơ là lĩnh vực chuyên môn lớn nhất trong số các lĩnh vực hóa học khác nhau.

Khi sự hiểu biết về hóa học vô tri tăng lên trong thế kỷ 19, những nỗ lực giải thích các quá trình sinh lý của các sinh vật sống về cấu trúc phân tử và phản ứng đã dẫn đến kỷ luật hóa sinh. Các nhà hóa sinh sử dụng các kỹ thuật và lý thuyết hóa học để thăm dò cơ sở phân tử của sự sống. Một sinh vật được nghiên cứu trên tiền đề rằng các quá trình sinh lý của nó là kết quả của hàng nghìn phản ứng hóa học xảy ra theo cách thức tổng hợp cao độ. Các nhà hóa sinh đã thiết lập, trong số những thứ khác, các nguyên tắc làm nền tảng cho việc truyền năng lượng trong tế bào, cấu trúc hóa học của màng tế bào, mã hóa và truyền thông tin di truyền, chức năng cơ và thần kinh, và các con đường sinh tổng hợp. Trên thực tế, các phân tử sinh học có liên quan đã được tìm thấy để thực hiện các vai trò tương tự trong các sinh vật khác nhau như vi khuẩn và con người. Tuy nhiên, việc nghiên cứu các phân tử sinh học gặp nhiều khó khăn. Những phân tử như vậy thường rất lớn và thể hiện sự phức tạp về cấu trúc; hơn nữa, các phản ứng hóa học mà chúng trải qua thường cực kỳ nhanh. Ví dụ, sự phân tách của hai chuỗi DNA xảy ra trong một phần triệu giây. Tốc độ phản ứng nhanh như vậy chỉ có thể xảy ra thông qua hoạt động trung gian của các phân tử sinh học được gọi là enzym. Enzyme là các protein có khả năng tăng tốc đáng kể cấu trúc hóa học ba chiều của chúng. Không có gì ngạc nhiên khi những khám phá sinh hóa đã có tác động lớn đến sự hiểu biết và điều trị bệnh. Nhiều bệnh tật do lỗi bẩm sinh của quá trình trao đổi chất đã được bắt nguồn từ các khuyết tật di truyền cụ thể. Các bệnh khác là kết quả của sự gián đoạn trong các con đường sinh hóa bình thường.

Thông thường, các triệu chứng có thể được giảm bớt bằng thuốc, và việc phát hiện, phương thức hoạt động và sự phân hủy của các chất điều trị là một trong những lĩnh vực nghiên cứu chính của hóa sinh. Nhiễm trùng do vi khuẩn có thể được điều trị bằng sulfonamide, penicillin và tetracycline, và nghiên cứu về nhiễm vi-rút đã cho thấy hiệu quả của acyclovir chống lại vi-rút herpes. Hiện nay có rất nhiều quan tâm đến các chi tiết về chất sinh ung thư và hóa trị liệu ung thư. Ví dụ, người ta biết rằng ung thư có thể là hậu quả khi các phân tử gây ung thư, hoặc chất gây ung thư như chúng được gọi, phản ứng với axit nucleic và protein và can thiệp vào phương thức hoạt động bình thường của chúng. Các nhà nghiên cứu đã phát triển các thử nghiệm có thể xác định các phân tử có khả năng gây ung thư. Tất nhiên, hy vọng là tiến bộ trong việc phòng ngừa và điều trị ung thư sẽ tăng tốc một khi cơ sở sinh hóa của căn bệnh này được hiểu đầy đủ hơn.

Cơ sở phân tử của các quá trình sinh học là một đặc điểm thiết yếu của các ngành đang phát triển nhanh chóng của sinh học phân tử và công nghệ sinh học. Hóa học đã phát triển các phương pháp xác định nhanh chóng và chính xác cấu trúc của protein và DNA. Ngoài ra, các phương pháp tổng hợp gen hiệu quả trong phòng thí nghiệm đang được phát minh ra. Cuối cùng, việc sửa chữa các bệnh di truyền bằng cách thay thế các gen bị lỗi bằng các gen bình thường có thể trở nên khả thi.

Chất đơn giản etilen là chất khí được cấu tạo bởi các phân tử có công thức là CH2CH2. Trong những điều kiện nhất định, nhiều phân tử ethylene sẽ liên kết với nhau để tạo thành một chuỗi dài gọi là polyethylene, với công thức (CH2CH2) n, trong đó n là một số thay đổi nhưng lớn. Polyetylen là một vật liệu rắn bền, dai khác hẳn với etylen. Đó là một ví dụ về polyme, là một phân tử lớn được tạo thành từ nhiều phân tử nhỏ hơn (monome), thường liên kết với nhau theo kiểu tuyến tính. Nhiều chất có nguồn gốc tự nhiên, bao gồm xenlulo, tinh bột, bông, len, cao su, da, protein và DNA, là các polyme. Polyetylen, nylon và acrylic là những ví dụ về polyme tổng hợp. Việc nghiên cứu các vật liệu như vậy nằm trong lĩnh vực hóa học polyme, một chuyên ngành đã phát triển mạnh trong thế kỷ 20. Việc nghiên cứu các polyme tự nhiên trùng lặp đáng kể với hóa sinh, nhưng việc tổng hợp các polyme mới, điều tra các quá trình polyme hóa, và xác định đặc điểm của cấu trúc và tính chất của các vật liệu polyme đều đặt ra những vấn đề riêng cho các nhà hóa học polyme.

Các nhà hóa học polyme đã thiết kế và tổng hợp các polyme khác nhau về độ cứng, tính linh hoạt, nhiệt độ hóa mềm, khả năng hòa tan trong nước và khả năng phân hủy sinh học. Họ đã sản xuất các vật liệu polyme bền như thép nhưng nhẹ hơn và chống ăn mòn tốt hơn. Các đường ống dẫn dầu, khí đốt tự nhiên và nước hiện nay thường được xây dựng bằng ống nhựa. Trong những năm gần đây, các nhà sản xuất ô tô đã tăng cường sử dụng các thành phần nhựa để chế tạo các loại xe nhẹ hơn, tiêu thụ ít nhiên liệu hơn. Các ngành công nghiệp khác như những ngành liên quan đến sản xuất hàng dệt, cao su, giấy và vật liệu đóng gói được xây dựng dựa trên hóa học polyme.

Bên cạnh việc sản xuất các loại vật liệu polyme mới, các nhà nghiên cứu còn quan tâm đến việc phát triển các chất xúc tác đặc biệt được yêu cầu trong quá trình tổng hợp polyme thương mại quy mô lớn trong công nghiệp. Nếu không có các chất xúc tác như vậy, quá trình trùng hợp sẽ rất chậm trong một số trường hợp.

Nhiều chuyên ngành hóa học, chẳng hạn như những ngành đã được thảo luận, tập trung vào một số loại vật liệu nhất định có chung các đặc điểm cấu trúc và hóa học. Các đặc điểm khác có thể không tập trung vào một nhóm chất mà tập trung vào sự tương tác và biến đổi của chúng. Lĩnh vực lâu đời nhất trong số những lĩnh vực này là hóa học vật lý, tìm cách đo lường, tương quan và giải thích các khía cạnh định lượng của các quá trình hóa học. Ví dụ, nhà hóa học người Anh-Ireland Robert Boyle đã phát hiện ra vào thế kỷ 17 rằng ở nhiệt độ phòng, thể tích của một lượng khí cố định giảm tỷ lệ thuận khi áp suất lên nó tăng lên. Do đó, đối với một chất khí ở nhiệt độ không đổi, tích của thể tích V và áp suất P của nó bằng một số không đổi - tức là PV = hằng số. Mối quan hệ số học đơn giản như vậy có giá trị đối với gần như tất cả các chất khí ở nhiệt độ phòng và ở áp suất bằng hoặc nhỏ hơn một khí quyển. Nghiên cứu sau đó đã chỉ ra rằng mối quan hệ mất giá trị ở áp suất cao hơn, nhưng có thể rút ra được các biểu thức phức tạp hơn phù hợp với kết quả thực nghiệm. Việc khám phá và điều tra các quy luật hóa học như vậy, thường được gọi là các quy luật tự nhiên, nằm trong lĩnh vực hóa học vật lý. Trong phần lớn thế kỷ 18, nguồn gốc của tính đều đặn toán học trong các hệ thống hóa học được giả định là sự liên tục của các lực và trường bao quanh các nguyên tử tạo nên các nguyên tố và hợp chất hóa học. Tuy nhiên, những phát triển trong thế kỷ 20 đã chỉ ra rằng hành vi hóa học được giải thích tốt nhất bằng một mô hình cơ lượng tử của cấu trúc nguyên tử và phân tử. Ngành hóa lý phần lớn dành cho môn học này là hóa lý thuyết. Các nhà hóa học lý thuyết sử dụng rộng rãi máy tính để giúp họ giải các phương trình toán học phức tạp. Các ngành khác của hóa học vật lý bao gồm nhiệt động lực học hóa học, đề cập đến mối quan hệ giữa nhiệt và các dạng năng lượng hóa học khác, và động học hóa học, nhằm đo lường và hiểu tốc độ của các phản ứng hóa học. Điện hóa học nghiên cứu mối quan hệ qua lại của dòng điện và sự thay đổi hóa học. Dòng điện chạy qua dung dịch hóa học gây ra sự thay đổi trong các chất cấu thành thường là thuận nghịch - tức là trong các điều kiện khác nhau, bản thân các chất bị biến đổi sẽ tạo ra dòng điện. Pin thông thường chứa các chất hóa học mà khi đặt tiếp xúc với nhau bằng cách đóng một mạch điện sẽ tạo ra dòng điện với hiệu điện thế không đổi cho đến khi các chất đó được tiêu thụ hết. Hiện nay người ta quan tâm nhiều đến các thiết bị có thể sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời để thúc đẩy các phản ứng hóa học mà các sản phẩm của chúng có khả năng lưu trữ năng lượng. Việc phát hiện ra các thiết bị như vậy sẽ giúp cho việc sử dụng rộng rãi năng lượng mặt trời.

Có nhiều ngành khác trong hóa lý quan tâm nhiều hơn đến các đặc tính chung của các chất và tương tác giữa các chất hơn là với bản thân các chất. Quang hóa học là một chuyên ngành nghiên cứu sự tương tác của ánh sáng với vật chất. Các phản ứng hóa học bắt đầu bằng sự hấp thụ ánh sáng có thể rất khác với những phản ứng xảy ra bằng các phương tiện khác. Ví dụ, vitamin D được hình thành trong cơ thể con người khi ergosterol steroid hấp thụ bức xạ mặt trời; ergosterol không chuyển thành vitamin D trong bóng tối.

Một ngành phụ đang phát triển nhanh chóng của hóa lý là hóa học bề mặt. Nó kiểm tra các đặc tính của bề mặt hóa học, chủ yếu dựa vào các công cụ có thể cung cấp hồ sơ hóa học của các bề mặt đó. Bất cứ khi nào một chất rắn tiếp xúc với chất lỏng hoặc chất khí, ban đầu phản ứng xảy ra trên bề mặt của chất rắn và kết quả là các đặc tính của nó có thể thay đổi đáng kể. Nhôm là một trường hợp điển hình: nó có khả năng chống ăn mòn chính xác bởi vì bề mặt của kim loại nguyên chất phản ứng với oxy để tạo thành một lớp nhôm oxit, có nhiệm vụ bảo vệ bên trong kim loại khỏi bị oxy hóa thêm. Nhiều chất xúc tác phản ứng thực hiện chức năng của chúng bằng cách cung cấp một bề mặt phản ứng mà các chất có thể phản ứng.

Sản xuất, bán và phân phối các sản phẩm hóa chất là một trong những nền tảng của một quốc gia phát triển. Các nhà hóa học đóng một vai trò quan trọng trong việc sản xuất, kiểm tra và xử lý an toàn các sản phẩm hóa chất, cũng như trong việc phát triển sản phẩm và quản lý chung. Việc sản xuất các hóa chất cơ bản như oxy, clo, amoniac và axit sunfuric cung cấp nguyên liệu thô cho các ngành công nghiệp sản xuất hàng dệt may, nông sản, kim loại, sơn, bột giấy và giấy. Hóa chất đặc biệt được sản xuất với số lượng nhỏ hơn cho các ngành liên quan đến các sản phẩm như dược phẩm, thực phẩm, bao bì, chất tẩy rửa, hương liệu và nước hoa. Ở một mức độ lớn, ngành công nghiệp hóa chất coi các sản phẩm và phản ứng chung cho các quy trình hóa học “hàng đầu” và mở rộng quy mô chúng lên thành số lượng công nghiệp.

Việc giám sát và kiểm soát các quá trình hóa chất hàng loạt, đặc biệt là liên quan đến truyền nhiệt, đặt ra các vấn đề thường do các nhà hóa học và kỹ sư hóa học giải quyết. Việc xử lý các sản phẩm phụ cũng là một vấn đề lớn đối với các nhà sản xuất hóa chất số lượng lớn. Những thách thức này và những thách thức khác của hóa học công nghiệp đã đặt nó ra ngoài các lĩnh vực hóa học thuần túy trí tuệ hơn đã được thảo luận ở trên. Tuy nhiên, trong ngành công nghiệp hóa chất, có một lượng đáng kể các nghiên cứu cơ bản được thực hiện trong các chuyên ngành truyền thống. Hầu hết các công ty hóa chất lớn đều có khả năng nghiên cứu và phát triển. Ví dụ, các công ty dược phẩm vận hành các phòng thí nghiệm nghiên cứu lớn, trong đó các nhà hóa học kiểm tra các phân tử về hoạt tính dược lý. Các sản phẩm và quy trình mới được phát hiện trong các phòng thí nghiệm như vậy thường được cấp bằng sáng chế và trở thành nguồn lợi nhuận cho công ty tài trợ cho nghiên cứu. Phần lớn các nghiên cứu được thực hiện trong ngành công nghiệp hóa chất có thể được gọi là nghiên cứu ứng dụng vì các mục tiêu của nó gắn liền với các sản phẩm và quy trình của công ty liên quan. Các công nghệ mới thường đòi hỏi nhiều kiến ​​thức chuyên môn về hóa học. Chẳng hạn, việc chế tạo vi mạch điện tử bao gồm gần 100 bước hóa học riêng biệt từ đầu đến cuối. Vì vậy, ngành công nghiệp hóa chất phát triển cùng với những tiến bộ công nghệ của thế giới hiện đại và đồng thời thường đóng góp vào tốc độ của sự tiến bộ.

Upvote nếu muốn mình làm tiếp phần 2 nha!!

Các nguồn mình tham khảo:

Các bài viết cùng tác giả và phần 2: