เส้นทางของวิชาเคมี ตอนที่ 1 จากยุคหินสู่อุตสาหกรรม

เรื่องโดย รวิศ ทัศคร

ถ้าจะกล่าวถึงความเป็นมาของวิชาเคมีแล้ว เราคงต้องมองย้อนกลับไปยังยุคโบราณผ่านความสนใจของมนุษย์ที่มีต่อธรรมชาติ ตั้งแต่หลายแสนปีก่อนที่มนุษย์โบราณค้นพบว่าเขาสามารถจุดไฟได้ มาจนช่วงหนึ่งแสนปีจนมาถึง 300 ปี ก่อนคริสต์ศักราช คนโบราณยุคก่อนประวัติศาสตร์รู้จักสังเกตแร่ธาตุต่าง ๆ ในธรรมชาติ ใช้สีทาตัว ทาผนังถ้ำ เขียนสีแต่งเครื่องปั้นดินเผา พวกเขายังมีความรู้เรื่องสมุนไพรและการรักษา สิ่งเหล่านี้ได้จากการสังเกตอย่างเป็นระบบทั้งสิ้น

วิชาเคมีจึงเริ่มต้นมาจากสิ่งง่าย ๆ อย่างการปรุงยาและศิลปะของนักเล่นแร่แปรธาตุ (alchemy) ในยุคโบราณที่เน้นการแปลงสารธรรมชาติและการค้นหาวิธีรักษาโรค นักเล่นแร่แปรธาตุมีจุดเริ่มต้นในอียิปต์โบราณซึ่งเครื่องมือและเทคนิคต่าง ๆ พัฒนามาเป็นหลักการเคมีที่ใช้ในปัจจุบัน เช่น การใช้เตาเพื่อหลอมโลหะ การกลั่น แยกสาร การสกัดธาตุ ต่อมาในยุคกลางนักเล่นแร่แปรธาตุในจีนและอาหรับมีส่วนร่วมพัฒนาเทคนิคทางเคมี ในช่วงเรืองวิทยาการของโลกอิสลามได้เกิดกรอบความคิดที่ว่าสามารถศึกษาวิชาเคมีผ่านการทดลองและการเฝ้าดูปรากฏการณ์ทางธรรมชาติได้

สันนิษฐานว่าการเล่นแร่แปรธาตุเริ่มต้นขึ้นในยุโรปและตะวันออกกลางตั้งแต่ศตวรรษที่ 12 แรงจูงใจของการพัฒนาศาสตร์ด้านนี้คือการหาทางเปลี่ยนสิ่งต่าง ๆ ให้เป็นทองคำ รวมทั้งการค้นหายาอมฤตสำหรับชีวิตอมตะ ปราชญ์คนสำคัญในยุคนี้ เช่น พาราเซลซุส (Paracelsus) ที่กล่าวถึงในบทความเรื่องงูในตอนที่แล้ว มีผลอย่างยิ่งในการเปลี่ยนแนวคิดการรักษาโรคจากที่มีลักษณะทางเวทมนต์ไปสู่การใช้สารเคมี เขาเชื่อว่าสารเคมีส่งผลต่อตัวยา และยังเสนอให้ใช้แร่ธาตุบางชนิดเป็นยา

หนึ่งในผู้สืบทอดแนวคิดของพาราเซลซุสที่มีความสำคัญที่สุดคือ ยาน แบ็พทิสท์ ฟาน เฮลมอนท์ (Jan Baptist van Helmont) เขาศึกษาหาความรู้เชิงเคมีผ่านการใช้เครื่องชั่งอย่างละเอียด ทดลองการละลายโลหะในกรด เช่น เงินกับกรดไนตริก และคืนรูปโลหะนั้นกลับจากสารละลายได้โดยไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงชนิดของสาร ด้วยเหตุนี้เขาจึงระบุว่าน้ำเป็นธาตุพื้นฐานในการสร้างสรรพสิ่ง แม้จะไม่ถูกต้องเนื่องจากความเข้าใจที่จำกัดในเวลานั้น แต่เขาเป็นผู้ตั้งคำว่า “gas” ซึ่งแสดงถึงการรับรู้ประเภทใหม่ของสาร

ในศตวรรษที่ 16 อันเดรอัส ลีบาวีอุส (Andreas Libavius) เป็นหนึ่งในนักวิชาการและนักเล่นแร่แปรธาตุซึ่งมีบทบาทสำคัญในการเปลี่ยนผ่านจากการเล่นแร่แปรธาตุไปสู่เคมีสมัยใหม่ เขาเกิดในปี ค.ศ. 1555 ที่เมืองฮัลเลอ (Halle) ในเยอรมนี ลีบาวีอุสศึกษาวิชาหลายสาขา เช่น วิทยาศาสตร์ แพทยศาสตร์ รวมถึงปรัชญา ทำให้มีความรอบรู้และความเชี่ยวชาญที่หลากหลาย เขาเขียนตำราแนวเคมีเล่มแรก “Alchemia” เป็นภาษาเยอรมัน ตีพิมพ์ในปี ค.ศ. 1597 นับเป็นหนึ่งในตำราเคมีที่แท้จริงเล่มแรก ๆ ที่พยายามนำเสนอเคมีในลักษณะที่เป็นระบบ มีการรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับวิธีการทดลองทางเคมีที่นำไปใช้จริงในชีวิตประจำวัน เช่น การสกัดโลหะ การทำสารละลาย การเตรียมน้ำมันหอมระเหยจากพืช ตำราเล่มนี้มีสองส่วน คือ Encheria ที่กล่าวถึงวิธีการทางเคมี และ Chymia ที่เน้นการเตรียมสาร

ลีบาวีอุสสนับสนุนให้ใช้การทดลองและการปฏิบัติจริงมากกว่าการพึ่งพาเพียงแนวคิดหรือทฤษฎี โดยอธิบายการนำเคมีไปประยุกต์ใช้ในชีวิตประจำวัน เขาเป็นบุคคลที่ทำหน้าที่เป็นสะพานเชื่อมระหว่างการเล่นแร่แปรธาตุกับแนวคิดทางเคมียุคใหม่ แม้ว่าลีบาวีอุสจะไม่ได้ปฏิเสธการเล่นแร่แปรธาตุ แต่เขาก็พัฒนาแนวคิดทางเคมีในรูปแบบใหม่ที่มีเหตุผลมากขึ้น นับเป็นหนึ่งในนักวิชาการที่พยายามผลักดันการสอนเคมีในโรงเรียนให้มีความเป็นวิทยาศาสตร์ด้วยตำราและแนวทางการสอนแบบเฉพาะทาง เพื่อให้นักเรียนเกิดความรู้ความเข้าใจในวิชาเคมี และเสนอให้มีการสร้างห้องปฏิบัติการที่มีจุดประสงค์เฉพาะสำหรับการศึกษาเคมี

ในช่วงศตวรรษที่ 16 และ 17 การเกิดขึ้นของการปฏิวัติวิทยาศาสตร์ (Scientific Revolution) ถือเป็นจุดเปลี่ยนที่สำคัญ โรเบิร์ต บอยล์ (Robert Boyle) ผู้ได้รับการยกย่องว่าเป็นบิดาแห่งเคมีสมัยใหม่ เสนอแนวคิดเกี่ยวกับอะตอมและวิพากษ์แนวคิดเคมีแบบเก่าในหนังสือของเขา “The Sceptical Chymist” และเสนอแนวคิดใหม่เกี่ยวกับการทดลองที่มีการควบคุม โดยใช้การทดลองพิสูจน์ทางเคมีมากกว่าใช้การอ้างอิงจากทฤษฎี นอกจากนี้เขายังได้วางรากฐานความสัมพันธ์ของแรงดันและปริมาตรของแก๊ส ซึ่งรู้จักกันในชื่อ “กฎของบอยล์” ที่กล่าวว่า “ความดันของก๊าซแปรผกผันกับปริมาตรเมื่ออุณหภูมิคงที่ (P ∝ 1/V)”

บอยล์หักล้างหลักการเดิมเกี่ยวกับการเกิดสารประกอบ โดยเชื่อว่าปริมาณผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการเผาไหม้นั้นขึ้นอยู่กับวิธีการใช้ไฟ ก่อนจะทดลองให้เห็นว่าเกิดสารผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกันขึ้นระหว่างการเผาไม้ในห้องปิดกับการเผานอกห้อง นอกจากนี้เขายังเชื่อว่าวัตถุทุกชนิดประกอบด้วยอนุภาคทรงกลมขนาดจิ๋ว และสารต่าง ๆ เกิดจากการรวมตัว (articulation) ของอนุภาคเหล่านี้ ด้วยการเรียงตัว การเชื่อมต่อ และการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่หลากหลาย ทำให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมีขึ้น

ปี ค.ศ. 1655 โรเบิร์ต ฮุก (Robert Hooke) ผู้ที่ต่อมาค้นพบ “กฎของฮุก” ที่ว่าด้วยความยืดหยุ่นของสปริง ได้เข้ามาทำงานเป็นผู้ช่วยวิจัยของบอยล์ที่หาวิทยาลัยออกซฟอร์ด ทั้งสองคนได้ช่วยกันสร้างปั๊มสุญญกาศขึ้น และร่วมทดลองเกี่ยวกับอากาศและความดันซึ่งนำไปสู่การค้นพบกฎของบอยล์ รวมถึงทำการทดสอบครั้งสำคัญ ๆ เช่น ให้วัสดุที่ไวไฟเผาไหม้ในภาวะสุญญากาศ เพื่อแสดงให้เห็นว่าอากาศเป็นส่วนประกอบสำคัญในปฏิกิริยาดังกล่าว แม้กระทั่งการจุดระเบิดของดินปืนในภาวะสูญญากาศซึ่งแสดงให้เห็นว่าน่าเป็นเพราะโพแทสเซียมไนเตรตในดินปืนเกิดเป็นไอที่ไวต่อปฏิกิริยา

บอยล์ยังได้ทำการทดลองกับโลหะและการชั่งน้ำหนักของโลหะที่ถูกเผา เขาพบว่าน้ำหนักโลหะเพิ่มขึ้นเมื่อเปิดภาชนะที่บรรจุ จึงตั้งสมมติฐานว่าเกิดจากอนุภาคของไฟ การทดลองเหล่านี้ได้นำไปพัฒนาและตรวจสอบในยุคถัดมาจนรู้ว่าสิ่งที่เกิดขึ้นนั้นเกี่ยวข้องกับออกซิเจน การวิจัยและการทดลองที่เที่ยงตรงของบอยล์ช่วยเปลี่ยนกระบวนทัศน์ในวิชาเคมีไปสู่การพัฒนาแนวคิดด้านเคมีที่เราคุ้นเคยในปัจจุบัน และได้วางรากฐานให้แก่นักวิทยาศาสตร์รุ่นต่อมาที่จะพัฒนาทฤษฎีอะตอมและการปฏิวัติทางเคมีในศตวรรษที่ 18 และ 19

อีกแนวคิดหนึ่งที่สำคัญเกิดขึ้นจาก จอห์น เมโยว์ (John Mayow) เขาสังเกตว่าการเผาไหม้ของโลหะเพิ่มน้ำหนักโลหะขึ้น และเสนอทฤษฎีว่าอากาศมีส่วนร่วมเพียงบางส่วนในปฏิกิริยาการเผาไหม้และการหายใจ อากาศประกอบด้วยสารส่งเสริมการเผาไหม้ที่คล้ายกับออกซิเจนและทำปฏิกิริยากัน และตั้งชื่อมันว่า “Spiritus Igneo-Aureus” นอกจากนี้เขายังได้ตั้งข้อสังเกตว่า การหายใจมีผลทำให้อุณหภูมิในเลือดเพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นแนวคิดที่ขัดแย้งกับความเชื่อเก่าที่ว่าอากาศเย็นจะทำให้เลือดเย็น การสังเกตนี้มีบทบาทสำคัญในการศึกษาเกี่ยวกับกระบวนการหายใจในเชิงชีวเคมี

อ็องตวน ลาวัวซีเย (Antoine Lavoisier) ในศตวรรษที่ 18 ทำให้วิชาเคมีเป็นศาสตร์ที่มีพื้นฐานจากการวัดที่แม่นยำ เขาเป็นผู้ค้นพบ “กฎการอนุรักษ์มวล” (หรือเรียก กฎทรงมวล) ที่กล่าวว่า ในปฏิกิริยาเคมีใด ๆ มวลที่เข้าร่วมปฏิกิริยาจะเท่ากับมวลที่ได้จากผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยา นอกจากนี้ลาวัวซีเยยังเป็นผู้พัฒนาระบบการตั้งชื่อสารเคมีที่ช่วยให้นักเคมีสื่อสารกันได้อย่างมีระบบระเบียบอีกด้วย

ต่อมาในศตวรรษที่ 19 เริ่มเกิดหลายทฤษฎีที่มีอิทธิพลต่อเคมีสมัยใหม่ โดยเฉพาะทฤษฎีอะตอมของ จอห์น ดาลตัน (John Dalton) ที่ว่า อะตอมคือหน่วยพื้นฐานของธาตุและสารประกอบ ซึ่งช่วยให้นักเคมีเริ่มเข้าใจปฏิกิริยาเคมีในระดับอะตอม ในขณะเดียวกันในปี ค.ศ. 1869 ดมีตรี เมนเดเลเยฟ (Dmitri Mendeleev) นักวิทยาศาสตร์รัสเซีย ได้สังเกตสมบัติของธาตุชนิดต่าง ๆ และพบว่าการจัดธาตุตามน้ำหนักอะตอมและสมบัติทางเคมีจะมีธาตุที่มีสมบัติคล้ายกันเป็นช่วง ๆ จึงพัฒนาตารางธาตุและตั้งกฎพิรีออดิก (periodic law) ขึ้น ตารางธาตุนี้ทำนายธาตุที่ยังค้นไม่พบในยุคนั้นได้ และกลายเป็นเครื่องมือที่สำคัญที่สุดในวิชาเคมีมาจนปัจจุบัน

ศตวรรษที่ 20 เป็นช่วงเวลาของการค้นพบที่ยิ่งใหญ่ทางเคมี นักวิทยาศาสตร์พัฒนาความเข้าใจในการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอมซึ่งเป็นพื้นฐานของเคมีเชิงกายภาพและเคมีควอนตัม เกิดความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ศึกษาปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในระดับโมเลกุล เช่น การใช้เทคนิคทางสเปกโทรสโกปีเพื่อศึกษาการเปลี่ยนแปลงในระดับอะตอม

ในศตวรรษที่ 21 ยุคปัจจุบัน เทคโนโลยีใหม่ ๆ เช่นการคำนวณควอนตัมและการใช้อัลกอริทึมทางคอมพิวเตอร์ได้ช่วยให้การค้นพบทางเคมีเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว การสังเคราะห์สารที่มีขนาดเล็กและซับซ้อนสามารถจำลองได้ในคอมพิวเตอร์ก่อนที่จะทดลองจริง อีกทั้งวิธีในการสังเกตโดยตรงก็พัฒนาขึ้นอีกมาก นักวิทยาศาสตร์ใช้เทคนิคหัวเข็มไม่สัมผัสผิวตัวอย่าง (non-contact atomic force microscopy) ในการถ่ายภาพพันธะเคมีระดับโมเลกุลได้เป็นครั้งแรก รวมถึงยังใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนถ่ายภาพอะตอมของไฮโดรเจนได้ในปี ค.ศ. 2008 และปี ค.ศ. 2013 นักวิทยาศาสตร์ก็ถ่ายภาพอิเล็กตรอนได้ด้วยการใช้กล้องจุลทรรศน์ควอนตัม (quantum microscope) และแม้แต่นักศึกษาปริญญาเอกในมหาวิทยาลัยออกซฟอร์ดก็ยังเคยใช้กล้องดิจิทัลธรรมดาถ่ายภาพอะตอมของสตรอนเชียม (strontium) มาแล้วเช่นกัน

ตอนหน้าเราไปดูเส้นทางการกำเนิดวิศวกรรมเคมี อุตสาหกรรมเคมี และพัฒนาการการศึกษาเคมีอาหารกันต่อครับ

แหล่งข้อมูลอ้างอิง

https://en.wikipedia.org/wiki/John_Mayow
https://www.newscientist.com/article/2161094-a-single-atom-is-visible-to-the-naked-eye-in-this-stunning-photo/
https://en.wikipedia.org/wiki/Justus_von_Liebig
https://en.wikipedia.org/wiki/George_E._Davis
Peppas, N. A. (Ed.). (2012). One Hundred Years of Chemical Engineering: From Lewis M. Norton (MIT 1888) to Present (Vol. 9). Springer Science & Business Media.
Damodaran, S., Parkin, K. L., & Fennema, O. R. (Eds.). (2007). Fennema’s food chemistry. CRC press.
Hudson, J. (1992). The history of chemistry. London: Macmillan.
Brock, W. H. (1992). The Fontana history of chemistry. London: Fontana Press.
Greenberg, A. (2007). From alchemy to chemistry in picture and story. John Wiley & Sons.