حقایقی جذاب و جالب از علم شیمی

- روزنامه خراسان نوشت: تعریف علم شیمی، یکی از سخت‌ترین کار‌های دنیاست! شیمی اساسا علمی است که به مطالعه و بررسی همه چیز می‌پردازد. همچنین آن‌قدر مهم است که معمولا «علم پایه» نامیده می‌شود، زیرا رشته‌ای است که همه علوم دیگر را به هم وصل می‌کند. هر کسی که تا به حال سریال «بریکینگ بد» را تماشا کرده باشد، می‌داند چقدر شیمی می‌تواند جذاب و جالب باشد.

پنجم شهریور (۲۷ اوت)، روز بزرگداشت زکریای رازی است. او متولد سال ۲۴۳ هجری خورشیدی، پزشک، فیلسوف، شیمی‌دان، کیهان‌شناس، استاد منطق، ریاضیات و در یک کلام همه‌چیزدان ایرانی بود. رازی علاوه بر آثار ماندگاری در زمینه پزشکی، شیمی و فلسفه، به‌عنوان کاشف الکل، جوهر گوگرد (اسید سولفوریک) و نفت سفید هم مشهور است. از هزار سال پیش از میلاد، تمدن‌های باستان از ابزار‌هایی استفاده می‌کردند که به نوعی به علم شیمی مربوط می‌شدند؛ مثل استخراج فلز‌ها از سنگ معدن، سفالگری با لعاب، تهیه رنگدانه برای لوازم آرایشی و نقاشی، استخراج مواد شیمیایی از گیاهان برای دارو و عطر، ساخت شیشه و آلیاژ‌هایی مانند برنج.

به همین بهانه و در پرونده امروزدرباره تاریخچه علم شیمی می‌خوانیم تا بدانیم این علم پایه، از کجا شروع شده و به این‌جا رسیده است. درباره چهره جدید و کمتر دیده شده علم شیمی هم خواهیم گفت.

۱- آتش باستان، اولین آزمایش شیمی جهان

چه زمانی؟ ۴ هزار سال پیش از میلاد نخستین واکنش شیمیایی که بشر توانست انجام دهد، کنترل و مهار کند، آتش بود. آتش برای مردم باستان نیرویی شگفت‌انگیز بود که می‌توانست یک ماده را به ماده دیگر تبدیل کند، در حالی که نور و گرما هم می‌داد. این آتش سبب کشف شیشه و نحوه پالایش فلز‌ها یا متالورژی و شناخت مواد شد. کشف آلیاژ‌ها باعث آغاز عصر برنز شد. پس از آن دانش شیمی و متالورژی برای ساخت ابزار‌های جنگی به کار گرفته شد. مصریان باستان در زمینه متالورژی توانا بودند. امپراتور روم هنگام حمله به مصر دستور سوزاندن اسنادی را داد که مربوط به کیمیا بود و به همین دلیل نوشته‌های مصری بسیار کمی درباره آن باقی مانده‌است که مهم‌ترین آن‌ها پاپیروس استکهلم و پاپیروس لیدن هستند. مصریان عقیده داشتند که علم کیمیا یعنی علم تبدیل مواد به یکدیگر و مخصوصا مس به طلا، توسط خدای دانش و خرد پدید آمده است.

۲-کیمیای ایرانی، زیبایی علم شیمی

چه زمانی؟ ۲ هزار سال پیش از میلاد در ایران باستان سفالینه‌های خاکستری با لعاب سیاه، دو هزار سال پیش از میلاد در تپه حصار و تپه سیلک به وجود آمدند. این سفال‌ها نخستین نوع سفال‌های لعاب‌داری هستند که شناخته شده‌اند. ایرانیان باستان برای خودآرایی از موادی مانند سرخاب، وسمه و سرمه استفاده می‌کردند که این مواد را از چربی حیوانات یا خاکستر به دست می‌آوردند و به آن‌ها رنگدانه‌های طبیعی می‌افزودند. در آن دوران سنگ فیروزه به خاطر رنگ زیبایش مورد توجه بود و ایران تنها کشوری بود که این سنگ گران بها را استخراج می‌کرد. به همین دلیل می‌توان آغاز علم شیمی را در ایران باستان جست‌وجو کرد. بنا بر بعضی روایت‌های تاریخی، علم کیمیا هم از ایران به مصر و بقیه دنیا صادر شده است.

۳-فلسفه یونانی، عامل کشف اتم

چه زمانی؟ ۵۰۰ سال پیش از میلاد در یونان باستان در گذشته‌های دور، فیلسوفان تلاش می‌کردند تا بدانند چرا مواد مختلف خاصیت‌های متفاوت (رنگ، بو و غلظت) و حالت‌های متفاوت (جامد، مایع و گاز) دارند و با شیوه‌های متنوع با یکدیگر واکنش می‌دهند. در این زمان فیلسوفان یونانی نخستین نظریه‌ها را درباره شیمی و طبیعت ارائه کردند که تا حدودی این نظریه‌ها متاثر از فرهنگ و تمدن‌های زمان خود بود. برای مثال تالس تصور می‌کرد که آب عنصر اصلی سازنده جهان است. ۲۰۰ سال پس از او ارسطو از «عناصر چهارگانه» سخن گفت و اعتقاد داشت که جهان از چهار عنصر آب، هوا، خاک و آتش ساخته شده است. ارائه نظریه اتمی به دوران یونان باستان بازمی‌گردد. لوکرتیوس در کتابی به نام «طبیعت چیزها» به اندیشه‌های دموکریت و لئوکیپوس اشاره می‌کند که دموکریت ادعا می‌کرده همه مواد از ذره‌های تجزیه‌ناپذیری به نام اتم تشکیل شده‌اند.

۴-و، اما کیمیا ...

چه زمانی؟ ۳۰۰ تا ۷۰۰ سال پیش از میلاد در گذشته مردم بسیار مشتاق بودند که بتوانند فلز‌های ارزان را به فلزی گران بها همچون طلا تبدیل کنند. به اعتقاد آنان ماده‌ای که می‌توانست چنین کاری انجام دهد، سنگ جادویی فلاسفه بود. همین موضوع سبب شد علمی به نام کیمیا پدید آید. کیمیا تنها به دنبال تبدیل فلز‌های ارزان به فلز‌های گران بها نبود بلکه مردم امید داشتند کیمیا بتواند کمک کند تا دارویی ساخته شود که به بهبودی بیماری‌ها منجر شود. مردم امیدوار بودند که کیمیاگران بتوانند ماده‌ای به نام آب حیات یا اکسیر زندگی به وجود بیاورند تا به کمک آن مرگ انسان‌ها را به تأخیر بیندازند. کیمیا در فرهنگ فارسی نیز تأثیرگذار بود و شاعران در آثار خود به کیمیا اشاره می‌کردند.

۵- بنیان‌گذاری شیمی مدرن به همت ایرانیان

چه زمانی؟ ۷۰۰ سال پیش از میلاد تا ۱۵۰۰ میلادی دانشمندان مسلمان ایرانی و عرب ترجمه آثار علمی یونان باستان را شروع و شیوه‌های علمی آن‌ها را آزمایش کردند. در قرن هشتم میلادی جابربن‌حیان که او را پدر علم شیمی نیز می‌نامند و از شاگردان امام صادق (ع) بوده است، یک رویکرد منظم همراه با آزمایش عملی را معرفی کرد. او وسیله‌ای به نام انبیق برای تقطیر مواد اختراع و با آن مواد شیمیایی را بررسی کرد. از خدمات دیگر جابربن‌حیان به علم شیمی، تفاوت قائل شدن میان اسید و باز و ساخت صد‌ها دارو است. شیمی‌دانان مسلمان و ایرانی برخی نظریه‌های کیمیا از جمله داستان سنگ فلاسفه را رد کردند. خواجه نصیرالدین طوسی نیز به گونه‌ای پایستگی جرم را ارائه کرد. او اشاره کرد که یک ماده تنها می‌تواند تغییر کند، اما نمی‌تواند ناپدید شود. محمد زکریای رازی نیز نظریه عناصر چهارگانه ارسطو را برای اولین بار ردکرد. او با به‌کارگیری آزمایشگاه مدرن و طراحی و توصیف بیش از ۲۰ ابزار آزمایشگاهی که برخی از آن‌ها هم‌اکنون نیز کاربرد دارند، بنیان مستحکمی برای شیمی مدرن بنا کرد.

۶-آغاز دوره شکوفایی شیمی نوین

چه زمانی؟ ۱۵۰۰ تا ۱۸۰۰ میلادی رابرت بویل، دانشمند انگلیسی در سال ۱۶۶۱ شیمی را علمی تجربی خواند. او از دانشمندان خواست تا علاوه بر سه ابزار اصلی یونانیان یعنی مشاهده کردن، اندیشیدن و نتیجه‌گیری، پژوهش‌های علمی نیز انجام دهند. بویل عقیده ارسطو را که جهان از چهار عنصر تشکیل شده است، رد کرد و به جای آن سه عنصر نمک، گوگرد و جیوه را عناصر سازنده جهان دانست. در سال ۱۶۶۹ هنینگ براند توانست فسفر را از ادرار به دست آورد. فسفر اولین عنصری بود که با شیوه شیمیایی کشف شد. هنری کاوندیش برای اولین بار در سال ۱۷۶۶ توانست گاز هیدروژن را از دیگر گاز‌ها تشخیص دهد. آنتوان لاووازیه در سال ۱۷۸۹ قانون پایستگی جرم را مطرح کرد. جوزف بلک در سال ۱۷۵۴ توانست کربن دی‌اکسید را جداسازی کند. کارل ویلهلم شیله و جوزف پریستلی، در سال‌های ۱۷۷۱ و ۱۷۷۴ به‌طور مستقل توانستند اکسیژن را کشف کنند. در سال ۱۸۰۰ آلساندرو ولتا با ساخت اولین باتری شیمیایی باعث آغاز دانش الکتروشیمی شد. در سال ۱۸۰۱ جان دالتون نظریه اتمی خود را در هفت بند منتشر کرد و اتم را تجزیه‌ناپذیر خواند. دوره شکوفایی شیمی نوین آغاز شد.

۷- آسپرین، اولین نتیجه تفکیک شیمی آلی و معدنی

چه زمانی؟ ۱۸۰۰ تا ۱۹۰۰ میلادی جالب این‌جاست که انگلیسی‌ها، جوزف پریستلی را پدر شیمی جدید می‌دانند و فرانسوی‌ها آنتوان لاووازیه را! با این حال شیمی مدرن پس از فعالیت‌های لاووازیه شکوفا شد. اصلی‌ترین دلیل آن، اکتشافات او درباره پایستگی جرم، نظریه ماهیت آتش و واکنش سوختن در سال ۱۷۸۳ بود. پیش از آن فرض می‌شد که ماهیت آتش ماده‌ای است که از ماده سوختنی آزاد می‌شود. فریدریش وهلر که در سال ۱۸۲۸ موفق به ساخت ترکیب اوره شده بود، بحث دیگری را درباره ارتباط شیمی و حیات و تمایز مواد آلی و مواد معدنی آغاز کرد. پیش از آن در دانش شیمی هرگز به ترکیب مواد آلی و مواد معدنی پرداخته نشده بود. همین موضوع سرآغاز یک رشته جدید در شیمی شد به‌طوری‌که در اواخر قرن نوزدهم میلادی دانشمندان می‌توانستند صد‌ها ترکیب آلی به وجود بیاورند. مهم‌ترین آن‌ها جوهر‌های مصنوعی بنفش، سرخابی و دیگر رنگ‌ها و نیز آسپرین بود.

۸-جدول تناوبی متولد شد

چه زمانی؟ ۱۸۵۰ تا ۱۹۰۰ میلادی جان نیولندز، شیمی‌دان انگلیسی در سال ۱۸۶۵ دریافت که با گذر از هر هشت عنصر، خواص فیزیکی تکرار می‌شوند. دیمیتری مندلیف، شیمی‌دان روسی اولین کسی بود که در سال ۱۸۶۶ یک جدول تناوبی مشابه جدول‌های تناوبی امروزی را به وجود آورد. او عناصر را برحسب جرم اتمی کنار یکدیگر قرار داد و به شباهت خواص آن‌ها پی برد. سپس عناصری را که به یکدیگر شبیه بودند در جدولی زیر یکدیگر قرارداد و جدولش را منتشر کرد. مندلیف به دلیل تکرار تناوبی خواص متوجه شد بعضی عناصر هنوز کشف نشده‌اند و جای این عناصر را در جدولش خالی گذاشت. او وجود سه عنصر ژرمانیم، گالیوم و اسکاندیم را حدس زد و نام آن‌ها را به ترتیب اکاسیلیسیوم، اکاآلومینیوم و اکابور نهاد. وی همچنین توانست برخی خواص همچون جرم و رنگ آن‌ها را حدس بزند که پس از کشف این عناصر پیش‌بینی‌های او با واقعیت مطابقت می‌کردند.

۹-از نفت تا رایانه؛ شیمی به همه جا سرک کشید

چه زمانی؟ ۱۹۰۰ تا ۲۰۰۰ در اوایل قرن نوزدهم، کشفیاتی در زمینه زیست‌شناسی صورت گرفت مانند کشف بزاق و نحوه تبدیل نشاسته به شکر. سال ۱۸۷۸ ویلهلم کان، دانشمند آلمانی آنزیم را کشف کرد که پلی میان شیمی و زیست‌شناسی بود. در سال ۱۹۵۳ جیمز واتسون و فرانسیس کریک توانستند ساختار مارپیچ دی‌ان‌ای را با مدل‌هایی الهام‌گرفته از دانش شیمی و پرتوی ایکس که روزالیند فرانکلین آن را انجام داد، توجیه کنند. در اواخر قرن نوزدهم تحول عظیمی در بهره‌برداری از نفت استخراجی رخ داد. تولید گسترده و پالایش نفت سبب به وجود آمدن گازوئیل، حلال‌های شیمیایی، آسفالت، واکس و بسیاری از محصولاتی که در دنیای مدرن کاربرد دارند مانند فیبر، پلاستیک، چسب، آمونیاک، شوینده‌ها و دارو شد. کنترل ساختار الکترونیکی مواد نیمه‌رسانا باعث اختراع ترانزیستور در سال ۱۹۵۱ شد. این دستاورد سبب ساخت تراشه‌ها برای استفاده در دستگاه‌های الکترونیکی مانند رایانه شد.