Xác định thuộc tính cho các chất
Những nhà hóa học hiện đại biết một số lượng đáng kinh ngạc của các chất. Chemical Abstracts Service, một trung tâm lưu trữ thông tin về các chất hóa học, hiện nay chứa thông tin của hơn 113.500.000 chất có nguồn gốc tự nhiên và tổng hợp. Tất cả các chất này được cấu thành từ các nguyên tố hiện diện trong Bảng tuần hoàn.
Nhưng vẫn còn vấn đề về cách các chất tự thân mang đặc trưng của mình và về những khác biệt cơ bản giữa các chất với nhau.
Có một điều là các chất không phải luôn luôn tìm thấy trong trạng thái cô lập. Các chất đơn giản nhất, các nguyên tố, thường được phát hiện trong các hợp chất. Các nguyên tố và hợp chất tinh khiết cũng có thể tìm thấy trong các dung dịch (solution), là hỗn hợp đồng nhất của các chất này với dung môi (solvent). Do đó chúng ta có thể nghi vấn rằng: Có phải các nguyên tố gốc (trong Bảng tuần hoàn) tự thân chúng vẫn còn hiện diện trong các hợp chất? Các hợp chất liệu vẫn còn hiện diện trong các dung dịch? Câu trả lời của Aristotle là không; các thành phần ban đầu có tiềm năng (potentiality)(5) chỉ hiện diện trong các hợp chất và dung dịch. Tuy nhiên, theo quan điểm hiện đại thì các nguyên tố thực sự hiện diện trong các hợp chất và các hợp chất thực sự hiện diện trong các dung dịch.
Tự buộc mình vào vấn đề của các nguyên tố trong các hợp chất, trước hết chúng ta hãy xem xét làm thế nào một chất có thể được xác định là một nguyên tố . Danh sách các công trình tham khảo tiêu chuẩn về thuộc tính của các nguyên tố, và nhiều bộ thuộc tính của chúng cung cấp một điều kiện cần và đủ để nhận diện thế nào là một nguyên tố đối với câu hỏi trên. Nhưng các đặc tính này chỉ đặc trưng cho chất ở trạng thái cô lập. Ví dụ, chúng ta có thể đọc được rằng sodium (Na) là một kim loại mềm, có màu xám, nóng chảy ở 97.8°C và sôi ở 883°C, và khí chlorine (Cl) mà là một chất khí màu vàng lục và có mùi hăng. Tuy nhiên, không thuộc tính nào phía trên thấy được thể hiện ở sodium chloride (NaCl), một chất rắn kết tinh và có màu trắng(6). Vì vậy, trong hóa học, bên cạnh những hiểu biết đương thời của các nhà hóa học vẫn còn tồn tại ý niệm của Aristotle về tiềm năng. Một số tính chất của chất hóa học chỉ thể hiện ra khi các nguyên tố kết hợp với nhau (để thảo luận thêm, tham khảo Earley 2005; Needham 2006).
|
|
|
|
|
|
Hóa học cổ điển cho chúng ta biết rằng sodium chloride (NaCl) được tạo thành từ hai chất duy nhất là: Na và Cl. Tuy nhiên, những năm đầu thế kỉ 20, việc phát hiện ra các đồng vị (isotopes), các nguyên tố với các cấu trúc nguyên tử khác nhau (cùng số electron nhưng khác số neutron), đã làm phức tạp vấn đề này thêm một cách đáng kể. Trước khi bàn về đồng vị, chúng ta cần phải xem xét chi tiết hơn cách thức tổ chức, sắp xếp các nguyên tố trong Bảng tuần hoàn.
Mendeleev đã sắp xếp Bảng tuần hoàn trên cơ sở khối lượng nguyên tử, và dựa vào các tính chất hóa học tuần hoàn theo chu kì. Các tính chất hóa học tuần hoàn theo chu kì cung cấp cơ sở cho việc tổ chức các nguyên tố theo các nhóm (group). Nguyên tố nhẹ nhất, hydrogen (H), rất khó để sắp xếp. Sau hydrogen đến helium (He), khí hiếm hoặc khí trơ nhẹ nhất, kế tiếp là lithium (Li), nguyên tố đầu tiên của nhóm I, nhóm các kim loại kiềm (alkali metal). Theo sau đó lần lượt là những nguyên tố đầu tiên của nhóm khác tiếp tục cho đến khí neon (Ne), một loại khí trơ gần giống như helium. Sau đó, với nguyên tố nặng hơn so với các nguyên tố vừa liệt kê, Sodium, chúng ta quay trở lại nhóm I- nhóm các kim loại kiềm và bắt đầu một chu kì mới.
Bây giờ ta trở lại vấn đề của các đồng vị, phương pháp sắp xếp các nguyên tố theo thuộc tính của Mendeleev bắt đầu xuất hiện các rắc rối của khi Frederick Soddy phát hiện rằng căn cứ sự giống nhau về tiêu chuẩn khối lượng nguyên tử, mỗi vị trí của các nguyên tố trên Bảng tuần hoàn (được xác định bởi các thuộc tính hóa học cơ bản) bị chiếm chỗ bởi cùng một hay nhiều nguyên tố, mà ông gọi chúng là “đồng vị” nghĩa là “cùng một chỗ”. Phenomenon này sớm được đánh giá cao vì nó không chỉ giới hạn ở các nguyên tố phóng xạ mà Soddy đã nghiên cứu mà còn bao gồm nhiều đồng vị bền, đồng vị không phóng xạ.
Vào thời điểm đó, theo mô hình của Bohr, một nguyên tử gồm một hạt nhân mang điện tích dương và các electron nhẹ hơn chuyển động vòng quanh đã được chấp nhận. Sau nhiều tranh luận (van der Vet 1979), cuộc họp năm 1923 của Liên minh Quốc tế về Hóa học thuần túy và Hóa học ứng dụng (IUPAC) ấn định rằng các vị trí trong bảng tuần hoàn phải tương ứng với số hiệu nguyên tử. Điều này có nghĩa là các nguyên tố được sắp xếp một cách thứ tự theo số lượng proton có trong hạt nhân của chúng (hay là số hiệu nguyên tử và có kí hiệu Z) chứ không dựa vào khối lượng nguyên tử và cho phép cấu trúc của Bảng tuần hoàn được duy trì; và cũng thừa nhận rằng cùng một nguyên tố nhưng có thể hiển thị nhiều khối lượng nguyên tử khác nhau (hay một nguyên tố cùng tồn tại nhiều đồng vị).
Khoảng 10 năm sau khi IUPAC đã thực hiện quyết định này nhằm nghiên cứu sự phát triển theo thời gian của các nguyên tố bằng số hiệu nguyên tử, Harold Urey phát hiện đồng vị của hydrogen trong nước. Ông xác định rằng tồn tại hai dạng của hydrogen trong các mẫu tự nhiên: protium (H) phổ biến nhất còn deuterium (D) tương đối hiếm. Chúng khác nhau ở số neutron: deuterium chứa một neutron còn protium không chứa neutron, và điều này giải thích cho sự khác biệt về khối lượng nguyên tử của chúng. Các mẫu nước H2O và nước nặng D2O của Urey cũng cho thấy rằng các đồng vị nhìn bề ngoài rất giống nhau, nhưng có một số điểm phân biệt: D2O thực sự độc đối với hầu hết các sinh vật, và có điểm đóng băng, điểm sôi, độ nhớt và độ pH cao hơn so với H2O.
Protium và deuterium là những chất khác biệt rõ ràng, nhưng chúng có là những nguyên tố khác nhau? IUPAC cho là “không” và xác nhận rằng không có sự khác biệt về mặt phản ứng hóa học giữa các đồng vị. Họ lập luận rằng bất cứ điều gì khác biệt giữa các đồng vị đều không phải là sự khác biệt về mặt hóa học. Do đó đồng vị không phải là các chất hóa học khác nhau.
Tuy nhiên, không rõ ràng khi cho rằng không có sự khác biệt về mặt hóa học giữa các đồng vị. Đầu tiên, hãy xem xét thí nghiệm giả định sau: Hãy tưởng tượng một hộp đặt cân bằng ngay trên mép bàn. Hộp này có chứa hai chất khí là đồng vị của nhau ngăn cách bởi một bức tường có hình dạng bất thường gần như song song với mặt đáy của hộp. Đồng vị nặng hơn ở trong gian dưới. Khi sự phân vùng được loại bỏ (nghĩa là bức tường biến mất) mà không làm ảnh hưởng đến cân bằng cơ học của hộp, các đồng vị nặng hơn sẽ tiến hành phân tán đều khắp hộp. Sự tái phân bố này xảy ra bởi vì entropy của hỗn hợp hai chất đồng nhất cao hơn so với khi chúng được tách riêng ra. Việc phân bố lại của các đồng vị nặng hơn sẽ phá vỡ trạng thái cân bằng cơ học và làm cho hộp lật nhào khỏi mép bàn. Đây là một trường hợp mà sự khác biệt trong việc nhận dạng các chất gây ra sự thay đổi cơ học trên thế giới. Chúng tôi xem điều này như là một prima facie case-tạm dịch là một trường hợp với những chứng cứ xác thực, đầy đủ(7) của sự khác biệt về mặt hóa học giữa các đồng vị, trái ngược với các tuyên bố của IUPAC.
Những người nghĩ rằng việc pha-trộn lẫn các chất không phải là một quá trình hóa học thực thụ thì hãy xem xét một ví dụ khác liên quan đến tốc độ phản ứng của những đồng vị khác nhau. Với những cải tiến trong kĩ thuật thực nghiệm, bây giờ người ta có thể phát hiện tốc độ phản ứng khác nhau hoàn toàn do sự khác biệt về yếu tố đồng vị của các chất phản ứng. Những hiệu ứng đồng vị hóa học biểu hiện rõ ràng nhất ở các nguyên tố nhẹ hơn, còn khi xét các mục đích khác thì những khác biệt rõ rệt về thuộc tính hóa học của các chất đồng vị ít được quan tâm. Tuy nhiên, những khác biệt nào của đồng vị dẫn đến sự khác biệt trong các phản ứng hóa học. Độc tính của D2O đã đề cập ở trên bắt nguồn từ những biến đổi trong tốc độ chuyển hóa/trao đổi chất (metabolic rates) mà nó gây ra. Vì vậy, chúng tôi tin rằng về mặt nguyên tắc, IUPAC đã quá nhanh khi công bố rằng đồng vị là các chất giống nhau, mặc dù đối với nhiều mục đích thực hành thì những khác biệt của đồng vị có thể được bỏ qua (Needham 2008; xem thêm một quan điêm khác của Hendry 2010).
Cho đến đây, chúng tôi chỉ mô tả mối quan hệ phức tạp giữa các nguyên tố và các chất theo cách đơn giản nhất có thể. Chúng tôi đã đưa vào bài một framework rất truyền thống đó là các hợp chất được xác định thuộc tính một cách dễ dàng theo quan niệm các nguyên tố cấu thành của chúng theo các tỉ lệ thành phần nhất định và đơn giản. Thật không may, trong nhiều trường hợp, thành phần nguyên tố một mình nó không là điều duy nhất để phân định các chất vì sự tồn tại của các đồng phân (isomers), là các hợp chất có thành phần nguyên tố như nhau, nhưng tính chất của chúng lại khác nhau.
Mặc dù có những thành phần nguyên tố giống nhau, các đồng phân có thể khác nhau hoàn toàn về tính chất vật lý như điểm nóng chảy và điểm sôi cũng như về mặt phản ứng hóa học. Ví dụ, dimethyl ether và rượu etylic có cùng dạng công thức hóa học là C2H6O, nhưng được biểu diễn bởi hai công thức cấu tạo riêng biệt tương ứng là (CH3)2O và C2H5OH. Điều này có nghĩa rằng chúng đều được cấu tạo theo tỉ lệ hai phần carbone, sáu phần hydrogen, và một phần oxygen, nhưng khác nhau ở cách các nguyên tử liên kết với nhau. Những khác biệt trong liên kết của chúng có ý nghĩa rất lớn: Ethanol là chất tan vô hạn trong nước, trong khi dimethyl ether chỉ tan một phần trong nước. Ethanol sôi ở 78.4°C, trong khi dimethyl ether sôi ở 34,6°C. Ethanol sẽ làm bạn say xỉn còn dimethyl ether không có tác dụng như vậy. Sự tồn tại của đồng phân cấu tạo cho ta thấy một bức tranh đơn giản về thành phần, trong đó thành phần nguyên tố xác định tính chất của chất, là không đầy đủ.
Nguồn: https://www.rsc.org/
Một loại đồng phân khác mang lại nhiều vấn đề đối với một bức tranh đơn giản về thành phần. Đồng phân lập thể (Stereoisomers) có cùng công thức hóa học và công thức cấu tạo, nhiều tính chất vật lý và hóa học của chúng giống nhau, và tất nhiên vẫn có một sự khác biệt đáng kể: Một cặp đồng phân lập thể làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực theo hai hướng ngược nhau (một làm quay sang trái còn một làm quay sang phải-NgD)(8).
Sự tồn tại của đồng phân lập thể học lần đầu tiên được chứng minh bởi Pasteur. Ông xác định các đồng phân lập thể của tartaric acid bằng phương pháp kết tinh và tách vật lý. Đầu tiên, ông đã chuẩn bị một dung dịch muối sodium ammonium tartrate (muối của acid) và các tinh thể được hình thành từ từ bằng cách bay hơi chậm. May mắn cho Pasteur, các đồng phân của các tinh thể muối sodium ammonium tartrate có thể phân biệt bằng phương pháp vật lý. Sau đó, ông sử dụng kẹp nhíp và một ống kính lúp để tách tinh thể theo hình dáng. Sau khi tái hòa tan các tinh thể trong các dung dịch riêng biệt, ông đã cho thấy rằng hai loại tinh thể quay mặt phẳng ánh sáng phân cực theo các hướng ngược nhau.
Hiểu biết đến thời điểm hiện tại của chúng ta về sự khác biệt giữa các đồng phân quang học (tên gọi khác của một loại đồng phân lập thể) ở chỗ chúng là những hình ảnh đối xứng qua gương phẳng nhưng không trùng khít lên nhau. Hãy xem xét hai bàn tay của bạn: chúng là hình ảnh phản chiếu qua gương của nhau, nhưng dù cố gắng hết sức có thể, bạn cũng không thể xoay một bàn tay sao cho nó chồng khít bàn tay còn lại. Một số phân tử, đặc biệt là các hợp chất với bốn nhóm thế khác nhau cùng liên kết một nguyên tử carbon, cũng có tính chất này. Sự khác biệt này có thể không dễ phát hiện nhưng nó vô cùng quan trọng đối với cả hóa học lẫn sinh học. Ví dụ, duy nhất một trong các đồng phân quang học của mỗi amino acid (tiếng Việt là axit amin) có hoạt tính sinh học. Các phân tử mùi chiếm ưu thế nhất của cây bạc hà và cây carum là đồng phân quang học của nhau. Nhiều loại thuốc có hoạt tính do tác dụng của một đồng phân quang học này hoặc một đồng phân khác. Và còn nhiều ví dụ khác nữa.
|
|
Vì vậy, phân biệt các chất không phải là việc tầm thường. Một trong những đóng góp quan trọng nhất mà hóa học đã mang lại cho bức tranh tổng thể của chúng ta về thế giới-tự nhiên chính là sự thừa nhận rằng bên cạnh thành phần cấu tạo, các đặc tính tinh xảo của cấu trúc vi mô tạo những thứ khác nhau cho các chất và cũng chính chúng là bản chất của các chất. Nhận thức siêu hình của chúng tôi nên phản ánh về điều này. Thật vậy, chúng tôi tin rằng một số điều phức tạp được mô tả trong phần này ta phải có một tác động lớn hơn về cuộc tranh luận về tính siêu hình của các chất. Trong phần tiếp theo, chúng tôi sẽ thảo luận về một trường hợp nổi tiếng mà ở đó một số vấn đề được bàn ở trên được sử dụng nhằm làm phong phú đáng kể cuộc tranh luận theo triết học.
Chú thích
(5) [Tiềm năng (Potentiality) chỉ là một khía cạnh của Thực Thể. Một tiến trình tự nhận thức (hay hiện thực hoá) có khả năng chuyển Tiềm Thể thành Hiện Thể]. Nguồn: http://www.chungta.com/nd/tu-lieu-tra-cuu/cac_he_thong_triet_hoc_hien_dai-2.html
(6) Tinh thể tinh khiết ở dạng trong suốt, không màu, nghĩa là ánh sáng có thể truyền qua được. còn dạng muối thông thường ta thấy màu trắng do khi này gồm rất nhiều tinh thể xếp cạnh nhau hỗn độn, các tinh thể khúc xạ ánh sáng nên ánh sáng không truyền thẳng. Tương tự cho đá trong suốt (khi này các phân tử nước sắp xếp một cách trật tự) nhưng tuyết lại có màu trắng.
(7) prima facie case là một thuật ngữ dùng trong ngành luật, xuất hiện vào cuối thế kỉ XIX và được tìm thấy trong các văn bản của Law Times Reports. Tạm dịch định nghĩa của từ điển oxford, prima facie case là một vụ kiện hoặc tố tụng được hỗ trợ bởi các bằng chứng đầy đủ để thấy sự cáo buộc ấy có cơ sở cũng như đã chứng minh trong trường hợp không có bằng chứng nào chống lại (hiểu đơn giản là trong một vụ tố tụng, một bên đưa ra các bằng chứng để biện minh một phán quyết có lợi cho mình, không bị bác bỏ bởi bên còn lại hay quan tòa).
(8) Về đồng phân lập thể, tồn tại hai loại là đồng phân hình học và đồng phân quang học.
– Đồng phân hình học khi này có sự khác biệt ở việc quay nhóm thế xung quanh các liên kết C=C, tiêu biểu là hai đồng phân loại cis (hai nhóm thế giống nhau nằm cùng phía so với nối đôi) và trans (hai nhóm thế giống nhau nằm khác phía so với nối đôi). Tính chất vật lý và khả năng phản ứng hóa học cơ bản khác nhau.
– Đồng phân quang học (còn gọi là đối phân) như đã đề cập trong bài, là những ảnh đối xứng gương nhưng không thể chồng khít lên nhau. Các phân tử không đối xứng chưa tâm thủ tính, là gồm 4 nhóm khác nhau cùng liên kết với một nguyên tử carbon. Hai đối phân cơ bản tính chất hóa học và vật lý không thể phân biệt, trừ khi bị tác động bởi các phân tử không đối xứng khác; chỉ khác nhau duy nhất ở chỗ làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực.
Tuy nhiên một hỗn hợp tiêu triền (tỉ lệ hai đối phân là 1:1) không làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực.
Tập viết và kể chuyện 