Hóa Học và những khái niệm ban đầu

Khoa học về cơ bản là nỗ lực giải thích hành vi của mọi thứ chúng ta nhìn thấy, ngửi thấy, nghe thấy v.v. Những lĩnh vực khác nhau của khoa học – vật lý, hóa học, sinh học, địa chất học cũng những thứ khác – nghiên cứu những bộ phận khác nhau trong những phần khác nhau của “mọi thứ” ấy. Hóa học bàn đến những đặc tính của những tính chất của vật chất cấu thành Trái Đất, các cơ quan sống trên đó, khí quyển chúng ta sống và vũ trụ quanh chúng ta.

Hóa học bao quát nhiều ranh giới của khoa học: nó là kiến thức nền tẳng cho các ngành khoa học thực phẩm, địa chất, công nghệ vật liệu, địa lý, sinh học và các ngành khoa học sức khỏe, khoa học môi trường, cùng rất nhiều thứ khác. Trong hóa học, có một chuỗi các lĩnh vực đặc thù (bao gồm phân tích, vật lý, hữu cơ và vô cơ), và một chuỗi các lý do để nghiên cứu: kiến thức khoa học học đường là nền tảng quan trong cho hiểu biết phổ thông và đời sống thường ngày, còn đối với bậc trung học thì hóa học sẽ đào sâu thêm các lĩnh vực bao gồm hóa học; hóa học phổ quát dựa trên lý thuyết và nghiên cứu; và sau cùng ở cấp độ kỹ thuật viên thì hóa học sử dụng cách tiếp cận thực nghiệm để giải thích những lý do ẩn sau thí nghiệm vật chất của bản chất bất kỳ. Cuốn sách này nhằm vào dạng hóa học thứ ba: cung cấp ngôn ngữ và ý tưởng cơ bản về hóa học theo cách thực nghiệm và áp dụng. Hình dưới trình bày những mối quan hệ này:

Khi nghiên cứu những đặc tính của “vật chất”, hóa học sẽ có thể làm nhiều thứ như phát triển những vật liệu mới, dự đoán hành vi của vật liệu này, giám sát và điều chỉnh hành vi của những vật liệu hiện có. Xét thứ một ngày điển hình. Mọi hoạt động đều liên hệ chúng ta với vật chất; những vật chất đã được kiểm định, phát triển hoặc nghiên cứu bởi nhà hóa học nào đó: thực phẩm, không khí, nước, bàn ghế, xe cộ, bóng chuyền, tất cả mọi thứ.

Tất nhiên, công việc của những nhà hóa học không phải lúc nào cũng tích cực: nhưng vật liệu mới do họ phát triển, như DDT, hay các CFC và chì pha vào xăng, đều là những thứ độc hại cho cuộc sống sau nhiều năm có vẻ có lợi. Giờ đây các nhà hóa học nghiên cứu những cách thức đo lường, kiểm soát và tiêu hủy những vật liệu này. Các nhà hóa học nghiên cứu đặc tính của vật chất như thế nào? Họ thực hiện bằng cách quan sát và đo lường, phân loại các chất thành những nhóm vật liệu tương đồng, và dự đoán dựa trên nền tảng những phân loại ấy.

Hệ thống phân loại vật chất

Số lượng những dạng vật chất khác nhau gần như là vô hạn; để nghiên cứu tất cả thật chi tiết là điều gần như không thể và phí thời gian. Các nhà hóa học phân loại vật chất theo hành vi và đặc tính của chúng, và khi làm thế sẽ đơn giản hoát được quá trình thấu hiểu và dự đoạn. Nếu bạn đọc bản mô tả vật chất nói rằng nó là chất rắn, không có hợp chất phân tử kim loại, thì (ít nhất là sau khi đọc hết sách này) bạn sẽ biết tính chất chung của nó.

Có nhiều hệ thống phân loại khác nhau, một số liên kết với nhau, số khác độc lập, một số rất tổng quát và dễ hiểu đối với người bình thường, số khác lại rất đặc thù và chỉ những người có chuyên môn mới dùng. Đến đây thì chúng ta chỉ có một cái nhìn chung; bạn cần học thêm nữa để hiểu rõ hơn. Hình 1.2 mô tả những mối quan hệ của các bộ phận vật chất và cách phân loại chúng; một số thuật ngữ được định nghĩa bên dưới, một số đã rất quen thuộc, và số khác thì phải đọc tới các chương sau.

Ví dụ. Để giúp minh họa các hệ thống phân loại, chúng tôi dùng một số ví dụ, từ một số các lĩnh vực nói đến trong sách: đường, máu, thép không gỉ, nước biển và khí heli.

Phân loại theo đặc tính

Tình trạng vật lý: đặc – lỏng- khí

Cách phân biệt dễ nhất là dự trên phản ứng của một chất với nhiệt độ phòng (25^oC). Để phân loại vật chất rõ hơn thì có thể đo điểm tan và điểm sôi của vật liệuĐiểm tan (hoặc đóng) băng là nhiệt độ mà tại đó vật liệu chuyển từ thể rắng sang thể lỏng (hoặc ngược lại). Các loại khí và chất lỏng có điểm tan dưới nhiệt độ phòng.

Điểm sôi là nhiệt độ mà tại đó chất lỏng biến thành khí. Các loại khí có điểm sôi dưới nhiệt độ phòng. Bảng 1.1 tóm tắt điểm sôi và tan thành ba pha.

Tình trạng vật chất	Điểm tan	Điểm sôi
Rắn	Lớn hơn 25oC	Lớn hơn 25oC
Lỏng	Nhỏ hơn 25oC	Lớn hơn 25oC
Khí	Nhỏ hơn 25oC	Nhỏ hơn 25oC

Kim loại – phi kim

Dấu hiệu dễ nhận biết nhất của kim loại là vẻ ngoài sáng bóng của chúng, nhưng điểm này không hoàn toàn đáng tin, vì nhiều kim loại dạng tinh bột nhìn giống bồ hóng. Để chính xác hơn thì nên phân biệt kim loại theo khả năng, khi ở thể rắn, dẫn nhiệt và điện của chúng (chúng là những vật dẫn khi ở thể rắn, không như hầu hết các phi kim), và tỷ trọng của chúng (kim loại hầu hết đều nặng hơn phi kim).

Tự nhiên – nhân tạo

Nhiều vật chất ngày nay được dùng phổ biến không có sẵn trong tự nhiên, nhưng cách phân biệt này hoàn toàn vô dụng với các nhà hóa học vì cung cấp rất ít thông tin về đặc tính của chất ấy. Nhiều vật chất tự nhiên có thể được nhân tạo và mẫu vật mỗi nguồn hoàn toàn có thể xác định được.

Hơn thế nữa, nhiều vật chất ta dùng lấy từ thiên nhiên, nhưng được chế biến (như tinh luyện) trước khi sử dụng. Nói tóm lại, không có gì trên Trái Đất này là mới nếu nhìn vào các thành phần cơ bản của vật chất – nguyên tử (xem bên dưới): mọi thứ đều được tái bố trí lại mà thôi. Một số nguyên tử mới hôm qua còn là bộ phận của một thân cây hoặc một con vật thì nay đã đang bơi trong máu chúng ta, và trước đó nữa còn là một phần trong không khí hoặc mặt đất dưới chân chúng ta.

Axit – Bazo – Trung tính

Phân loại vật chất theo những đặc tính này thực hiện bằng các đo lường trong phòng thí nghiệm, hoặc đơn giản hơn bằng quan sát qua nhiều thế kỷ. Axit và bazo có mùi dễ phân biệt: axit chua (như nước chanh) còn bazo thì đắng. Tuy nhiên vị không phải là phương pháp phòng thí nghiệm dùng để phân loại vật chất!

Hành vi của một số chiết xuất rau củ nhất định (như quỳ) với axit và bazo được dùng phổ biến để phân loại vật chất. Thay đổi màu sắc tùy vào thuộc tính của vật chất. Quỳ được gọi là chất chỉ thị axit-bazo. Axit hóa đỏ còn bazo (còn gọi là kiềm) hóa xanh, còn các chất trung tính không thay đổi. Còn có nhiều chất chỉ thị khác, một số có thể phân biệt mức độ axit hoặc bazo. Ví dụ một chất chỉ thị phổ biến, biến đổi ít nhất tới 4 màu sắc.

Vậy, các biện pháp phân loại dựa trên các đặc tính có thể đo lường được của vật chất. Các cách phân loại vật chất dưới đây được xác định bằng thành phần của vật chất – những chất kết hợp với nhau để hình thành nên vật chất. Có hai hệ thống về cơ bản độc lập với nhau, vì những lý do sẽ được giải thích sau khi ta khảo sát xong các cách phân loại này.

Phân loại theo thành phần

Nguyên chất – hỗn hợp

Đây là một trong những cách phân loại quan trọng nhất. Hỗn hợp là một chất chứa nhiều hơn một dạng chất nguyên chất.Các hỗn hợp có thể thay đổi theo đặc tính, không chỉ vì những chất khác nhau có trong nó, nhưng còn vì các tỉ lệ khác nhau của cùng những chất ấy. Tuy nhiên, những chất tạo thành hợp chất sẽ không thay đổi đặc tính của chúng khi ở dạng thuần khiết. Ví dụ, sắt nguyên chất bị gỉ rất nhanh, còn thép không gỉ, một hỗn hợp chứa 80% sắt và 20% chrome và nikel (cùng một ít kim loại khác) gỉ rất chậm.

Làm cách nào để nhận ra nguyên chất hay hỗn hợp? Nếu chúng trông không giống nhau – tức là không đồng nhất – thì chắc là một hỗn hợp, gọi là hỗn hợp không đồng nhất. Ví dụ như bê-tông, có đá, xi-măng và cát kết hợp thành một thứ vật liệu chung. Những khác biệt nhỏ về thành phần của mỗi thứ sẽ làm thay đổi đặc tính vật lý của bê-tông.

Nếu vật chất đồng nhất, thì chúng vẫn có thể là một hỗn hợp. Nước biển, khi đã loại bỏ các “thành phần trôi nổi” thì nó đồng nhất, nhưng lại là một hỗn hợp của nước và Natri và natri clorua (muối nói chung) và nhiều chất khác. Ta gọi đây là hỗn hợp đồng nhất. Nếu ta uống đủ nước biển (khoảng 35gam muối mỗi lít) thì sẽ chết do sự khử nước. Dung dịch nước biển, dùng trong bệnh viện để duy trì mức chất lỏng trong người bệnh nhân không thể dùng để uống và ăn, chứa 9g muối mỗi lit. Rõ ràng, hai hỗn hợp này hoàn toàn khác nhau về đặc tính. Hình 1.3 cho thấy sự khác nhau giữa hỗn hợp đồng nhất và không đồng nhất.

Có thể phân loại các hỗn hợp bằng cách tách thành phần chúng ra. Có thể tách một hỗn hợp rắng và lỏng bằng cách lọc (xem Hình 1.4(a)). Các thành phần tan trong nước sẽ được phục hồi bằng cách đun sôi chất lỏng (bay hơi), như trong Hình 1.4(b). Mực trong viết bi viết hằng ngày có thể tách thành các thành phần phẩm nhuộm bằng cách chấm lên giấy rồi cho nước đi qua (gọi là phép sắc ký) (xem Hình 1.4(c)). Mỗi quy trình ấy đề khá đơn giản và không cần nhiều năng lượng đầu vào. Nếu các bộ phận tách rời được kết hợp lại, chúng sẽ tạo thành chính xác vật chất trước khi tách. Bằng cách áp dụng một hoặc nhiều quy trình ấy cho vật chất chúng ta có thể xác định nó có nguyên chất hay không.

Các hỗn hợp thường có điểm tan và sôi phụ thuộc vào tỉ lệ trong hỗn hợp, tuy nhiên cũng không phải là nhiệt độ đơn lẻ, nhưng dao động từ 5-10^oC.

Các chất nguyên chất không thể bị tách nếu không thay đổi trạng thái của chúng. Ví dụ, nước sẽ bị tách nếu cho dòng điện đi qua, nhưng trong quá trình này khí hydro và oxy (không phải nước ở dạng khí bốc hơi) sẽ hình thành. Chúng không cùng một dạng với nước – uống khí hydro tuyệt đối không phải là một ý hay.

Nguyên tử – Phân tử

Mọi vật chất đều cấu thành từ các nguyên tử, là các đơn vị cá thể nhỏ nhất, các khối cấu thành vật chất. Có nhiều dạng nguyên tử – 107 tất cả – được nối kết và trộn lẫn với nhau, những nguyên tử này tạo ra một chuỗi vô vàn các vật chất chúng ta nhìn thấy (và không nhìn thấy) xung quanh.

Trong nhiều dạng vật chất, nguyên tử nối lên với nhau thành một nhóm nhỏ (không quá nhỏ), gọi là một phân tử. Khí oxy chúng ta hít thở là một trong những phân tử nhỏ nhất: gồm hai nguyên tử liên kết với nhau. Chất dẻo chứa những phân tử khổng lồ với hàng ngàn nguyên tử liên kết với nhau.

Các phân tử có hai nguyên tử gọi là lưỡng nguyên tử, và tam nguyên tử nếu có ba nguyên tử. Những nguyên tử này không nhất thiết có cùng cấu trúc. Từ ba nguyên tử trở lên trong một phân tử thì sẽ có tên là đa nguyên tử (tuy trong một số trường hợp, các tiền tố cho 4 (tetra), năm (penta), và sáu (hexa) vẫn được dùng).

Cấu trúc – Thù hình – Phức hợp

Các nguyên chất sẽ thuộc một trong hai dạng – nguyên tố hoặc hợp chất. Nguyên tố là một chất chỉ chứa một dạng nguyên tử. Ví dụ, Oxy chỉ là một nguyên tố, như vàng (nguyên chất) 24 carat.

Một số nguyên tố tồn tại dưới những dạng khác nhau, với các nguyên tử được sắp xếp theo những cách khác nhau. Chúng được gọi là thù hình. Ví dụ, ozone, chất bảo vệ Trái Đất khỏi bức xạ mặt trời. Oxy mà chúng ta hít thở gồm hai nguyên tử oxy trong một phân tử, còn ozone có ba. Một nhóm các thù hình quan trọng khác là bồ hóng, graphite, và kim cương – đều là những dạng khác nhau của nguyên tố carbon.

Phức hợp có các nguyên tử nhiều hơn hơn một nguyên tố liên kết với nhau theo một tỉ lệ nhất định bất biến. Nước có hai nguyên tử hydro và một nguyên tử Oxy trong mỗi phân tử, bất kể nó ở dạng hơi, lỏng hay băng.

Một tỉ lệ khác sẽ có nghĩa là một chất khác. Ví dụ, dung dịch khử màu chứa phức hợp, hydro peroxide, gồm các nguyên tử hydro và oxy, như nước, nhưng có hai oxy và hai hydro. Sự khác nhau giữa hai phức hợp này như trong Hình dưới:

Có nhiều hệ thống phân loại quan trọng khác được dùng, như ion/phân tử và hữu cơ/vô cơ, nhưng ở giai đoạn này rất khó để mô tả chúng vậy nên sẽ xét sau.

Dung dịch: Hỗn hợp quan trọng nhất

Dung dịch là những hỗn hợp đồng nhất, trong hầu hết các trường hợp thì đều ở thể lỏng. Tại sao dung dịch lại quan trọng đến vậy? Bảy mươi phần trăm bề mặt Trái Đất được bao phủ bởi dung dịch, hầu hết các chức năng cơ thể đều vận hành nhờ dung dịch, hầu hết các phân tích hóa học để kiểm tra cấu tạo của vật chất đều dựa trên việc hình thành dung dịch từ vật chất ấy, và nhiều thứ khác.

Có một số thuật ngữ chính để mô tả dung dịch. Về cơ bản, dung dịch là một hoặc nhiều chất tan trong một chất lỏng. Các chất được hòa tan ấy gọi là chất hòa tan, và chất lỏng ấy gọi là dung môi. Vậy, muối là chất hòa tan, còn nước là dung môi trong nước biển. Các dung dịch có các mức độ chất hòa tan cao thì nồng độ đậm đặc, các dung dịch hòa tan ít thì nồng độ loãng.

Nồng độ của một dung dịch là khối lượng một chất hòa tan so với khối lượng dung dịch. Giá trị số của độ đậm đặc là một giá trị hết sức quan trọng: nó xác định một số đặc tính của dung dịch. Ví dụ ban đầu về muối trong huyết thanh máu rất nổi bật. Dung dịch nước biển dùng trong bệnh viên phải được kiểm tra nồng độ; nếu giá trị không đúng (9gam muối trên 1 lít dung dịch) thì sẽ có hại nếu dùng.

Khối lượng chất hòa tan có thể tan trong một thể tích dung dịch xác định là có giới hạn. Mức độ mà một chất sẽ hòa tan gọi là độ hòa tan. Đại lượng này có thể là một giá trị (như độ hòa tan của muối trong nước là 360 g/L) hoặc là một cụm từ tương đối (như độ hòa tan của đường trong nước ở mức cao).

Khi hai chất lỏng được trộn với nhau và hòa tan, thì ta gọi là có thể hòa trộn. Ví dụ, alcohol và nước có thể hòa trộn, nhưng xăng và nước thì không – Chúng không thể hòa trộn. Bạn có thể tự hỏi cái nào là dung môi và cái nào là chất hòa tan trong hỗn hợp nước và alcohol. Một câu hỏi hay! Câu trả lời là, dung môi là chất có tỉ lệ lớn hơn trong hỗn hợp. Như vậy, trong bia, thì có khoảng 5% alcohol, nước sẽ là dung môi và alcohol cùng các chất khác là chất hòa tan. Trong nhiên liệu lỏng cực mạnh, như rum Bundaberg với hơn 50% alcohol thì khi đó nước lại là chất hòa tan.

Các biến đổi vật lý và Hóa học

Từ đầu chúng ta đã phân biệt hỗn hợp với các nguyên chất bằng cách dùng những quy trình đơn giản để tách thành phần hỗn hợp. Những quy trình này không làm thay đổi thành phần hóa học của vật chất ấy, chỉ thay đổi trạng thái vật lý của nó. Ta gọi đây là biến đổi vật lý. Vậy, nước muối khi đun sối và hơi thu được vẫn có chứa muối (còn lại trong bình chứa) và nước (trong dạng hơi hoặc hóa lỏng bằng cách làm lạnh). Nếu muối và nước lại được kết hợp thì có thể xác định được kết quả là dung dịch nước muối ban đầu.

Nếu  vật chất trải qua sự biến đổi gây ra thay đổi hóa học (tức là sinh ra các chất khác) thì gọi là biến đổi hóa học. Khi đường trong nho lên men, alcohol và carbon dioxide sẽ hình thành. Đường bị tiêu thụ. Sự thay đổi nay không phải là dạng thay đổi dễ đảo ngược: bạn không thể trộn alcohol và carbon dioxide và mong sẽ tạo thành đường.

Các thay đổi hóa học thường được biểu thị bởi:

• Sản sinh nhiệt
• Tạo bọt khí
• Biến màu

Hình thành chất rắn từ các dung dịch (gọi là kết tủa)

Các nguyên tố

Có ít nhất 107 nguyên tố đã biết, 91 loại có trong tự nhiên. Số còn lại là nhân tạo, chỉ xảy ra trong những phản ứng hạt nhân. Các nguyên tử của những nguyên tố khác nhau về kích thước, trọng lượng và cấu tạo bên trong. Ta sẽ khảo sát kỹ hơn bản chất các nguyên tử và giữa các nguyên tổ khác nhau thế nào trong chương kế, và một số đặc tính của các nguyên tố quan trọng trong Chương 3.

Cần phải nói rõ rằng sự khác nhau về cách dùng thuật ngữ nguyên tử và nguyên tố. Nhiều cuốn sách thường dùng từ nguyên tố theo hai hướng: thứ nhất, để chỉ các nguyên tử thuộc một dạng cụ thể, và thứ hai để chỉ bản thân nguyên chất ấy. Trong sách này, từ nguyên tử được dùng chỉ để nói về nguyên chất. Khi dùng từ nguyên tử là chỉ sự hiện diện của nó trong các nguyên tố, phức hợp và hỗn hợp.

Mỗi nguyên tố (hoặc loại nguyên tử) đều có tên, nhưng thường chỉ dùng một biểu tượng duy nhất thường gồm một hoặc hai chữ cái để ký hiệu vật chất khi cần nhắc đến nguyên tử trong phân tử và phức hợp (các nguyên tố nhân tạo được khám phá gần đây nhất có ký hiệu gồm ba ký tự, nhưng không có gì đáng ngại). Có nhiều cách khác nhau để ký hiệu nguyên tố, bao gồm:

• Ký tự đầu trong tên (như carbon, C)
• Hai ký tự đầu của tên (như cobalt, Co)
• Ký tự đầu và thứ ba hoặc xa hơn trong tên (như chlorine, Cl; californium, Cf)
• Viết tắt tên ban đầu trong một ngôn ngữ khác (như vàng Au, từ tiếng la tinh aurum; tungsten W, từ tiếng Đức wolfram)

Bảng dưới liệt kê một số tên và ký hiệu mà bạn nên ghi nhớ, vì chúng tạo thành “bảng chữ cái” dùng để viết các “từ ngữ”, “câu” và “câu chuyện” hóa học. Toàn bộ danh sách các nguyên tố đã biết được lập bảng theo một cách đặc biệt (gọi là bảng tuần hoàn), in ở mặt trong bìa trước của sách. Chúng ta sẽ nhìn vào bản tuần hoàn để xem các con số có ý nghĩa gì, và tại sao nó lại có hình dạng thế trong các chương tiếp theo.

Nguyên tố	Ký hiệu	Nguyên tố	Ký hiệu
Hydro	H	Clo	Cl
Cacbon	C	Kali	K
Ni-tơ	N	Canxi	Ca
Oxy	O	Sắt	Fe
Natri	Na	Đồng	Cu
Magie	Mg	Kẽm	Zn
Sunphua	S	Chì	Pb