Lịch sử hóa học

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

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.
Nguồn gốc của nguyên tử luận được coi là từ Hy Lạp và Ấn Độ cổ. 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. 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.

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

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 đimêtyl ete (có công thức cấu tạo là H₃COCH₃) 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.

Thời kỳ phục hưng

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.
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 cacbonic 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 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.

Bất đồng về nguyên tử luận sau thời Lavoisier

Throughout the 19th century, chemistry was divided between those who followed the atomic theory of John Dalton and those who did not, such as Wilhelm Ostwald và Ernst Mach. Although such proponents of the atomic theory as Amedeo Avogadro và Ludwig Boltzmann made great advances in explaining the behavior of gases, this dispute was not finally settled until Jean Perrin's experimental investigation of Einstein's atomic explanation of Brownian motion in the first decade of the 20th century.
Well before the dispute had been settled, many had already applied the concept of atomism to chemistry. A major example was the ion theory of Svante Arrhenius which anticipated ideas about atomic substructure that did not fully develop until the 20th century. Michael Faraday was another early worker, whose major contribution to chemistry was electrochemistry, in which (among other things) a certain quantity of electricity during electrolysis or electrodeposition of metals was shown to be associated with certain quantities of chemical elements, and fixed quantities of the elements therefore with each other, in specific ratios. These findings, like those of Dalton's combining ratios, were early clues to the atomic nature of matter.

Bảng tuần hoàn

For many decades, the list of known chemical elements had been steadily increasing. A great breakthrough in making sense of this long list (as well as in understanding the internal structure of atoms as discussed below) was Dmitri Mendeleev và Lothar Meyer's development of the periodic table, and particularly Mendeleev's use of it to predict the existence and the properties of germanium, gallium, and scandium, which Mendeleev called ekasilicon, ekaaluminium, and ekaboron respectively. Mendeleev made his prediction in 1870; gallium was discovered in 1875, and was found to have roughly the same properties that Mendeleev predicted for it.

Cuối thế kỉ 20

Vào năm 1970, John Pople đã phát triển chương trình phần mềm Gaussian làm giảm đáng kể các tính toán hóa học.  Năm 1971, Yves Chauvin đưa ra một lời giải thích về cơ chế phản ứng của phản ứng metathesis olefin. Năm 1975, K. Barry Sharpless và nhóm của ông đã phát hiện ra một chất chống oxy hóa, phản ứng bao gồm Sharpless epoxidation , Sharpless bất đối xứng dihydroxylation,  và Sharpless oxyamination. Năm 1985, Harold Kroto , Robert Curl và Richard Smalley khám phá Fullerene , một lớp học của các phân tử cacbon lớn bề ngoài giống như những mái vòm được thiết kế bởi kiến trúc sư R. Buckminster Fuller.  Năm 1991, Sumio Iijima sử dụng kính hiển vi điện tử để phát hiện ra một loại fullerene trụ được biết đến như một ống nano carbon, mặc dù công việc trước đó đã được thực hiện trong lĩnh vực này càng sớm càng 1951. Tài liệu này là một thành phần quan trọng trong lĩnh vực công nghệ nano. Năm 1994,Robert A. Holton và nhóm của ông đạt được tổng hợpđầu tiên của Taxol .  Năm 1995, Eric Cornell và Carl Wieman sản xuất đầu tiên ngưng tụ Bose-Einstein , một chất có hiển thị tính chất cơ học lượng tử trên phạm vi vĩ mô.

Toán học và Hoá học

Về mặt cổ điển, trước thế kỷ 20, hóa học được định nghĩa là ngành khoa học về bản chất của vật chất và sự biến đổi của nó. Do đó rõ ràng là có sự khác biệt so với vật lý không liên quan đến sự biến đổi đáng kể của vật chất. Hơn nữa, trái ngược với vật lý, hóa học không sử dụng nhiều toán học. Ngay cả một số bài toán Hoá học đặc biệt cũng không muốn sử dụng toán học trong hóa học. Ví dụ, Auguste Comte đã viết năm 1830:
Mọi cố gắng để sử dụng các phương pháp toán học trong nghiên cứu các câu hỏi hoá học phải được coi là không hợp lý sâu sắc và trái với tinh thần của hóa học.... nếu phân tích toán học nên bao giờ giữ một vị trí nổi bật trong hóa học - một sai lệch mà là hạnh phúc gần như không thể - nó sẽ nhân dịp một thoái hóa nhanh chóng và lan rộng của khoa học đó.
Tuy nhiên, trong phần hai của thế kỷ 19, tình hình đã thay đổi và August Kekulé đã viết năm 1867:
Tôi mong đợi rằng một ngày nào đó chúng ta sẽ tìm ra một giải thích cơ học-toán học cho cái mà bây giờ chúng ta gọi là các nguyên tử sẽ làm cho một tài khoản của tài sản của họ.