Tác dụng hóa học là gì cho ví dụ

Hóa học, một nhánh của khoa học tự nhiên, là ngành nghiên cứu về thành phần, cấu trúc, tính chất, và sự thay đổi của vật chất.[1][2] Hóa học nói về các nguyên tố, hợp chất, nguyên tử, phân tử, và các phản ứng hóa học xảy ra giữa những thành phần đó.

Hóa học đôi khi được gọi là "khoa học trung tâm" vì nó là cầu nối các ngành khoa học tự nhiên khác như vật lý học, địa chất học và sinh học.[3][4]

Từ nguyên[sửa | sửa mã nguồn]

Tên gọi hóa học trong tiếng Việt khởi nguồn từ tiếng Trung 化學 có âm Hán Việt là hóa học. Từ 化學 hóa học trong tiếng Trung là do William Alexander Parsons Martin đặt ra[5], xuất hiện lần đầu tiên trong quyển thứ sáu của bộ sách viết bằng văn ngôn của Martin có tên là 格物入門 Cách vật nhập môn do Kinh sư Đồng văn quán [京師同文館] xuất bản vào năm Đồng Trị thứ bảy [1868] thời nhà Thanh.[6] 格物入門 Cách vật nhập môn được chia thành bảy quyển là 水學 Thủy học [nước], 氣學 Khí học [khí], 火學 Hỏa học [lửa], 電學 Điện học, 力學 Lực học, 化學 Hóa học, 算學 Toán học.[7]

Hóa học lần đầu được du nhập vào Việt Nam qua Nam Kỳ thuộc Pháp thời Đệ Nhị Đế chế Pháp và tiếp tục được giảng dạy sâu rộng ở miền Nam Việt Nam. Cho nên vẫn còn nhiều khái niệm hóa học của được kế thừa từ thời Nam Kỳ còn thuộc Pháp [axit từ acide, anđêhit từ aldehyde và cách sắp xếp các phần định chức trong hệ thống danh pháp,...].

Lịch sử[sửa | sửa mã nguồn]

Hóa học phát triển từ giả kim thuật, đã được thực hành từ hàng ngàn năm trước như ở Trung Hoa, Châu Âu và Ấn Độ.

Khoa giả kim thuật nghiên cứu về vật chất, nhưng thế giới của những nhà giả kim thuật đều dựa trên kinh nghiệm thực tế và công thức bắt nguồn từ thực hành chứ không dựa vào những nghiên cứu khoa học. Mục đích của họ là một chất gọi là "Hòn đá triết học" dùng để biến đổi những chất như chì thành vàng. Các nhà giả kim thuật đã tiến hành rất nhiều thí nghiệm để tìm ra chất này và qua đó họ đã phát triển nhiều dụng cụ mà ngày nay vẫn còn được sử dụng trong kỹ thuật hóa học.

Tuy nhiên, không một nhà giả kim thuật nào tìm ra được hòn đá triết học và trong thế kỷ thứ 17, các phương pháp làm việc của khoa giả kim thuật được thay đổi bằng những phương pháp khoa học. Một phần kiến thức của các nhà giả kim thuật đang được sử dụng bởi các nhà hóa học, những người làm việc dựa vào kết luận hợp lý dựa trên những gì mà họ quan sát được chứ không dựa vào ý nghĩ biến hóa chì thành vàng.

Lịch sử của hóa học có thể được coi như bắt đầu từ lúc Robert Boyle tách hóa học từ khoa giả kim thuật trong tác phẩm The Skeptical Chemist [Nhà hóa học hoài nghi] vào năm 1661 nhưng thường được đánh dấu bằng ngày Antoine Lavoisier tìm ra khí oxy vào năm 1783.

Hóa học có bước phát triển mạnh và phân hóa vào thế kỷ 19. Những nghiên cứu của Justus von Liebig về tác động của phân bón đã thành lập ra ngành hóa học nông nghiệp và cung cấp nhiều nhận thức cho ngành hóa vô cơ. Cuộc tìm kiếm một hóa chất tổng hợp thay thế cho chất màu indigo dùng để nhuộm vải là bước khởi đầu của những phát triển vượt bậc cho ngành hóa hữu cơ và dược. Một đỉnh cao trong sự phát triển của ngành hóa học chính là phát minh bảng tuần hoàn nguyên tố của Dmitri Ivanovich Mendeleev và Lothar Meyer. Mendelev đã sử dụng quy luật của bảng tuần hoàn để tiên đoán trước sự tồn tại và tính chất của các nguyên tố germanium, gallium và scandium vào năm 1870. Gallium được tìm thấy vào năm 1875 và có những tính chất như Mendeleev đã tiên đoán trước.

Nghiên cứu trong hóa học đã phát triển trong thời kỳ chuyển tiếp sang thế kỷ 20 đến mức các nghiên cứu sâu về cấu tạo nguyên tử đã không còn là lãnh vực của hóa học nữa mà thuộc về vật lý nguyên tử hay vật lý hạt nhân. Mặc dù vậy, các công trình nghiên cứu này đã mang lại nhiều nhận thức quan trọng về bản chất của sự biến đổi chất hóa học và của các liên kết hóa học. Các động lực quan trọng khác bắt nguồn từ những khám phá trong vật lý lượng tử thông qua mô hình quỹ đạo điện tử.

Các nguyên lý nền tảng của hóa học hiện đại[sửa | sửa mã nguồn]

Mô hình cấu trúc nguyên tử hiện tại là mô hình cơ học lượng tử. Hoá học truyền thống bắt đầu bằng việc nghiên cứu các hạt sơ cấp, các nguyên tử, các phân tử, các chất, kim loại, tinh thể và các hợp chất khác của vật chất. Vấn đề này có thể được nghiên cứu trong trạng thái rắn, lỏng, hoặc khí, có thể riêng lẻ hoặc hỗn hợp. Các tương tác, phản ứng và biến đổi được nghiên cứu trong hóa học thường là kết quả của các tương tác giữa các nguyên tử, dẫn đến việc sắp xếp lại các liên kết hóa học giữ các nguyên tử với nhau. Những biến đổi như vậy được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm hóa học.

Phòng thí nghiệm hóa học có khuôn mẫu thường sử dụng nhiều loại dụng cụ thủy tinh trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, những dụng cụ thủy tinh này không phải là trung tâm của hóa học, và rất nhiều các thí nghiệm [cũng như ứng dụng / công nghiệp] hóa học được thực hiện mà không cần những dụng cụ này.

Phản ứng hóa học là sự chuyển đổi một số chất thành một hoặc nhiều chất khác nhau.[8] Cơ sở của sự biến đổi hóa học như vậy là sự sắp xếp lại các electron trong các liên kết hóa học giữa các nguyên tử. Nó có thể được miêu tả một cách tượng trưng qua một phương trình hóa học, trọng tâm đặt vào các nguyên tử. Số lượng các nguyên tử ở bên trái và bên phải trong phương trình cho một sự biến đổi hóa học là bằng nhau [khi số lượng các nguyên tử ở hai bên là không đồng đều, chuyển đổi được gọi là phản ứng hạt nhân hoặc sự phân rã phóng xạ]. Loại phản ứng hóa học mà một chất có thể trải qua và sự thay đổi năng lượng có thể đi kèm tuân theo một số quy tắc cơ bản nhất định, được gọi là định luật hóa học.

Các cân nhắc về năng lượng và entropy luôn quan trọng trong hầu hết các nghiên cứu hóa học. Các chất hoá học được phân loại theo cấu trúc, trạng thái, cũng như các thành phần hoá học của chúng. Chúng có thể được phân tích bằng các công cụ phân tích hóa học, ví dụ: quang phổ và sắc ký. Các nhà khoa học tham gia nghiên cứu hóa học được gọi là các nhà hóa học.[9] Hầu hết các nhà hóa học chuyên về một hoặc nhiều tiểu ngành. Một số khái niệm rất cần thiết cho việc nghiên cứu hóa học; một số trong số đó là:[10]

Vật chất[sửa | sửa mã nguồn]

Trong hóa học, vật chất được định nghĩa là bất cứ vật gì có khối lượng tĩnh và thể tích [chiếm không gian nhất định] và được tạo thành từ các hạt. Các hạt tạo nên vật chất cũng có khối lượng tịnh - nhưng không phải tất cả các hạt đều có khối lượng tịnh, chẳng hạn như photon. Vật chất có thể là một chất hoá học tinh khiết hoặc một hỗn hợp các chất.

Nguyên tử[sửa | sửa mã nguồn]

Nguyên tử là đơn vị cơ bản của hóa học. Nó bao gồm một lõi rất đặc gọi là hạt nhân nguyên tử, bao quanh bởi một đám mây điện tử khổng lồ. Hạt nhân được tạo thành từ các proton tích điện dương và các neutron không tích điện [gọi chung là các nucleon]. Trong khi đó, đám mây điện tử lại gồm các electron tích điện âm có quỹ đạo quanh hạt nhân. Trong một nguyên tử trung hòa về điện, điện tích âm của electron cân bằng với điện tích dương của proton. Hạt nhân rất đặc; khối lượng của một nucleon gấp 1836 lần so với electron, tuy nhiên bán kính của một nguyên tử lại gấp 10000 lần hạt nhân của nó [11][12].

Nguyên tử cũng là thực thể nhỏ nhất được cho là giữ các tính chất hóa học của nguyên tố, như độ âm điện, khả năng ion hóa, trạng thái oxy hóa, số phối trí [coordination number], và các loại liên kết có thể hình thành [ví dụ liên kết kim loại, ion, cộng hoá trị].

Nguyên tố[sửa | sửa mã nguồn]

Một nguyên tố hóa học là một chất tinh khiết chỉ bao gồm một loại nguyên tử, đặc trưng bởi số proton cụ thể trong hạt nhân của các nguyên tử, được gọi là số hiệu nguyên tử và được thể hiện bằng ký hiệu Z. Nguyên tử khối là tổng của số proton và neutron trong một hạt nhân. Mặc dù tất cả các hạt nhân của tất cả các nguyên tử thuộc một nguyên tố sẽ có cùng một số hiệu nguyên tử, chúng có thể không nhất thiết phải có cùng nguyên tử khối; các nguyên tử của một nguyên tố có nguyên tử khối khác nhau được gọi là đồng vị. Ví dụ, tất cả các nguyên tử với 6 proton trong hạt nhân là các nguyên tử của nguyên tố carbon, nhưng nguyên tử carbon có thể có nguyên tử khối là 12 hoặc 13.[12]

Sự trình bày tiêu chuẩn của các nguyên tố hóa học là sắp xếp vào bảng tuần hoàn, sắp xếp các nguyên tố theo số hiệu nguyên tử. Bảng tuần hoàn được sắp xếp thành các nhóm, hoặc các cột, và các chu kỳ hoặc các hàng. Bảng tuần hoàn rất hữu ích trong việc xác định khuynh hướng tuần hoàn.[13]

Hợp chất[sửa | sửa mã nguồn]

Hợp chất là một chất hoá học tinh khiết cấu tạo từ nhiều hơn một nguyên tố. Các tính chất của một hợp chất thường ít giống với các thành phần cấu tạo nên nó.[14] Danh pháp chuẩn của các hợp chất được quy định bởi Liên minh Quốc tế về Hóa học thuần túy và Hóa học ứng dụng [IUPAC]. Các hợp chất hữu cơ được đặt tên theo hệ thống danh pháp hữu cơ [15]. Tên của các hợp chất vô cơ được tạo ra theo hệ thống danh pháp vô cơ. Khi một hợp chất có nhiều hơn một phần, chúng có thể được chia thành hai phần chính, các thành phần tích điện dương và các tích điện âm.[16] Thêm vào đó, Dịch vụ Tóm tắt Hóa chất [CAS] đã đưa ra một phương pháp để sắp xếp các chất hoá học. Lúc này mỗi chất hoá học có thể nhận biết được bởi một số hiệu được gọi là số đăng ký CAS.

Phân tử[sửa | sửa mã nguồn]

Một phân tử là phần nhỏ nhất không thể phân chia của một chất hoá học tinh khiết với đặc tính hóa học duy nhất, nghĩa là nó có khả năng thực hiện một số phản ứng hóa học với các chất khác. Tuy nhiên, định nghĩa này chỉ tốt đối với các chất cấu tạo từ các phân tử, mà điều này không đúng với nhiều chất [xem dưới đây]. Các phân tử thường là một tập hợp các nguyên tử gắn kết với nhau bằng các liên kết cộng hóa trị, sao cho cấu trúc này là trung hòa về điện tích và tất cả các điện tử hóa trị được ghép nối với các điện tử khác trong các liên kết hoặc trong các cặp đơn [không ở trong liên kết].

Như đã nói, các phân tử tồn tại như các đơn vị trung hòa điện, không giống như các ion. Khi quy tắc này bị phá vỡ, "phân tử" lúc này có một điện tích, đôi khi chúng được đặt tên là một ion phân tử hoặc một ion đa nguyên tử. Tuy nhiên, các ion phân tử thường chỉ có ở dạng tách hoàn toàn, chẳng hạn như một chùm trực tiếp trong chân không ở một phổ kế khối. Rất nhiều ion đa nguyên tử này ở trong đất [ví dụ các ion sunfat hoặc nitrat thường gặp],nói chung chúng không được coi là "phân tử" trong hóa học. Một số phân tử có chứa một hoặc nhiều electron không ghép cặp, tạo ra các gốc tự do. Hầu hết các gốc tự do tương đối phản ứng, nhưng một số, chẳng hạn như nitric oxit [NO] có thể ổn định.

Các nguyên tố khí "trơ" hoặc khí hiếm [heli, neon, argon, krypton, xenon và radon] tồn tại ở đơn vị nhỏ nhất là dưới dạng các nguyên tử đơn độc, nhưng các chất hóa học tách biệt khác thì gồm các phân tử hoặc các mạng nguyên tử liên kết với nhau một cách nào đó. Các phân tử xác định được có thể là các chất quen thuộc như nước[H2O], không khí[0x], và nhiều hợp chất hữu cơ như rượu[C2H6O hoặc C2H5OH], đường[C12H22O11], xăng và các dược phẩm khác nhau.

Tuy nhiên, không phải tất cả các chất hoặc các hợp chất hóa học bao gồm các phân tử rời rạc, và thực tế hầu hết các chất rắn tạo thành lớp vỏ rắn, lớp phủ và lõi của Trái Đất là các hợp chất hóa học mà không có các phân tử. Các loại chất khác, chẳng hạn như các hợp chất ion và các chất rắn trong mạng, được sắp xếp theo cách mà không tìm thấy tồn tại của các phân tử thực chất. Thay vào đó, các chất này được tìm hiểu dưới dạng đơn vị công thức hoặc đơn vị tế bào là cấu trúc lặp lại nhỏ nhất trong chất. Ví dụ về các chất như vậy là các muối [như muối ăn], chất rắn như carbon và kim cương, kim loại, silica và các khoáng chất silicat quen thuộc như thạch anh và granit.

Một trong những đặc tính chính của một phân tử là cấu hình của nó; thường được gọi là cấu trúc hóa học. Trong khi cấu trúc của các phân tử nguyên tử cấu tạo từ hai nguyên tử, ba hoặc bốn có thể dễ đoán, [dạng thẳng, hình chóp góc...] thì cấu trúc của các phân tử đa nguyên tử, được

cấu thành từ hơn 6 nguyên tử [của một số nguyên tố] có thể rất quan trọng đối với tính chất hoá học của nó.

Chất và hỗn hợp[sửa | sửa mã nguồn]

Một chất hoá học là một loại vật chất với thành phần và tập hợp các thuộc tính xác định[17]. Một tập hợp các chất được gọi là hỗn hợp. Ví dụ về hỗn hợp là không khí và các hợp kim.[18]

Mol và lượng chất[sửa | sửa mã nguồn]

Mol là một đơn vị đo lường biểu thị một lượng chất [còn gọi là lượng hóa học]. Mol được định nghĩa là số nguyên tử tìm thấy chính xác 0,012kg [12 gram] carbon-12, trong đó nguyên tử cacbon-12 không liên kết, ở trạng thái nghỉ và trạng thái nền[19]. Số lượng các thực thể trên mỗi mol được gọi là hằng số Avogadro và được xác định một cách thực nghiệm là khoảng 6,022 × 1023 mol1.[20] Nồng độ mol là lượng chất đặc biệt trên một thể tích dung dịch, và thường được ghi dưới dạng trong moldm3.[21]

Thể hoặc trạng thái[sửa | sửa mã nguồn]

Ngoài các tính chất hóa học cụ thể phân biệt các chất hóa học khác nhau, các chất hóa học có thể tồn tại trong một vài thể hay trạng thái khác nhau. Phần lớn, việc phân loại hóa chất độc lập với các phân loại theo thể này; tuy nhiên, một số thể đặc biệt là không tương thích với các tính chất hóa học nhất định. Thể là một tập hợp các trạng thái của một hệ thống hóa học có các đặc tính cấu trúc tương tự nhau, đặt trong một loạt các điều kiện, chẳng hạn như áp suất hoặc nhiệt độ.

Các tính chất vật lý, chẳng hạn như mật độ và độ chiết quang thường là các giá trị đặc trưng của thể. Thể của vật chất được xác định bởi quá trình chuyển thể, đó là khi năng lượng đưa vào hoặc đưa ra khỏi hệ thống thoát ra sắp xếp lại cấu trúc của hệ thống, thay vì thay đổi các các điều kiện.

Đôi khi sự khác biệt giữa các thể có thể liên tục hay không rõ ràng; thay vì có ranh giới tách biệt, trong trường hợp này vật chất được coi là ở trạng thái siêu tới hạn. Khi ba thể cùng tồn tại với các điều kiện nhất định, nó tạo nên một điểm ba trạng thái; và vì điểm này là không thay đổi, đó là một cách thuận tiện để xác định một tập hợp các điều kiện cho từng thể.

Các ví dụ quen thuộc nhất của các thể là rắn, lỏng và khí. Nhiều chất có nhiều thể rắn. Ví dụ, sắt có ba thể rắn [alpha, gamma, và delta] thay đổi tùy theo nhiệt độ và áp suất. Một sự khác biệt chính giữa các thể rắn là cấu trúc tinh thể, hoặc sự sắp xếp của các nguyên tử. Một thể khác thường gặp trong nghiên cứu hóa học là thể lỏng, tức là trạng thái của các chất hòa tan trong dung môi [thường là trong nước].

Các thể ít quen thuộc hơn bao gồm plasma, ngưng tụ Bose-Einstein và ngưng tụ fermion cùng với các giai đoạn thuận từ và sắt từ của vật liệu từ tính. Mặc dù hầu hết các thể là quen thuộc trong các hệ thống ba chiều, nó cũng có thể định nghĩa các tương tự trong các hệ thống hai chiều, điều này đã thu hút được sự quan tâm của nó đối với các hệ thống sinh học.

Liên kết[sửa | sửa mã nguồn]

Các nguyên tử gắn kết với nhau trong các phân tử hoặc tinh thể được gọi là liên kết với nhau. Một liên kết hóa học có thể được hình dung như là sự cân bằng đa cực giữa các điện tích dương trong hạt nhân và các điện tích âm dao động xung quanh chúng.[22] Không chỉ là phản ứng hút và đẩy đơn giản, năng lượng và sự phân bố là đặc trưng cho khả năng một điện tử tạo liên kết với một nguyên tử khác.

Một liên kết hóa học có thể là một liên kết cộng hóa trị, liên kết ion, liên kết hydro hoặc chỉ là lực Van der Waals. Mỗi loại liên kết này được gán cho một số tiềm năng. Những tiềm năng tạo ra các tương tác giữ các nguyên tử với nhau trong các phân tử hoặc tinh thể. Trong nhiều hợp chất đơn giản, lý thuyết hóa trị, mô hình VSEPR, và khái niệm số oxy hóa có thể được sử dụng để giải thích cấu trúc phân tử và thành phần.

Một liên kết ion được hình thành khi một kim loại mất đi một hoặc nhiều electron của nó, trở thành một cation tích điện dương, và các electron sau đó được thu được bởi nguyên tử phi kim, trở thành một anion tích điện âm. Hai ion tích điện trái dấu sẽ thu hút bởi nhau, và liên kết ion là lực hấp dẫn giữa chúng. Ví dụ, natri [Na], một kim loại, mất một điện tử để trở thành một Na+ [cation], trong khi clo [Cl], một phi kim, thu được điện tử này để trở thành Cl [anion]. Các ion được giữ lại với nhau do lực hút tĩnh điện, và hợp chất natri chloride [NaCl], hay tên phổ biến hơn là muối ăn, được hình thành.

Trong một liên kết cộng hoá trị, một hoặc nhiều cặp electron hóa trị được chia sẻ bởi hai nguyên tử, tạo nên nhóm các nguyên tử liên kết với nhau trung hòa về điện hay phân tử. Các nguyên tử sẽ chia sẻ các điện tử hóa trị trong một cách để tạo ra một cấu hình electron khí hiếm [với tám electron trong vỏ ngoài cùng của chúng] cho mỗi nguyên tử. Các nguyên tử có xu hướng kết hợp theo cách mà mỗi chúng có tám electron trong vỏ ngoài cùng, và sao cho là tuân thủ quy tắc bát tử [xem Liên kết ion]. Tuy nhiên, một số nguyên tố như hydro và lithi chỉ cần hai điện tử trong vỏ ngoài cùng của chúng để đạt được cấu hình ổn định này; các nguyên tử này được cho là tuân theo quy tắc song tử [duet], và theo cách này, chúng sẽ đạt tới cấu hình điện tử của heli trong khí quyển, một khí hiếm chỉ có hai điện tử trong vỏ bên ngoài của nó.

Tương tự, các lý thuyết từ vật lý cổ điển có thể được sử dụng để dự đoán nhiều cấu trúc ion. Với các hợp chất phức tạp hơn, chẳng hạn như phức hợp kim loại, lý thuyết hóa trị sẽ ít có giá trị hơn. Lúc này, các phương pháp tiếp cận khác, như lý thuyết quỹ đạo phân tử [orbital], thường được sử dụng. Xem sơ đồ về orbital điện tử.

Năng lượng[sửa | sửa mã nguồn]

Trong bối cảnh hóa học, năng lượng là một thuộc tính của một chất do kết quả của cấu trúc nguyên tử, phân tử hoặc cấu trúc tổng hợp của nó. Vì một sự biến đổi hóa học đi cùng với sự thay đổi một hoặc nhiều cấu trúc này, nó luôn đi kèm với việc tăng hoặc giảm năng lượng của các chất liên quan. Một số năng lượng được chuyển giao giữa môi trường xung quanh và các chất phản ứng dưới dạng nhiệt hoặc ánh sáng; do đó các sản phẩm của một phản ứng có thể nhiều hoặc ít năng lượng hơn các chất phản ứng.

Một phản ứng được cho là giải phóng năng lượng nếu trạng thái cuối cùng thấp hơn về quy mô năng lượng so với trạng thái ban đầu; trong trường hợp phản ứng thu năng lượng thì ngược lại. Một phản ứng được gọi là tỏa nhiệt nếu phản ứng thải nhiệt ra môi trường xung quanh; trong trường hợp phản ứng thu nhiệt, phản ứng hấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh.

Các phản ứng hóa học thường không thể xảy ra trừ khi các chất phản ứng vượt qua hàng rào năng lượng gọi là năng lượng hoạt hóa. Tốc độ phản ứng hóa học [ở nhiệt độ nhất định T] liên quan đến năng lượng hoạt hóa E, bởi yếu tố phân bố của Boltzmann - đó là xác suất của một phân tử có năng lượng lớn hơn hoặc bằng với E ở nhiệt độ nhất định T. Sự phụ thuộc có tính lũy thừa của tần suất phản ứng lên nhiệt độ được gọi là phương trình Arrhenius. Năng lượng kích hoạt cần thiết cho một phản ứng hóa học có thể dưới dạng nhiệt, ánh sáng, điện hoặc lực lượng cơ học dưới dạng siêu âm.[23]

Một khái niệm liên quan là năng lượng tự do, cũng cân nhắc cả khái niệm entropy, là một phương tiện rất hữu ích để dự đoán tính khả thi của phản ứng và xác định trạng thái cân bằng của một phản ứng hóa học, trong nhiệt động học hóa học. Một phản ứng chỉ khả thi nếu tổng lượng thay đổi trong năng lượng tự do Gibbs là âm, ΔG