BÀI GIẢNG
HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG 1
LÊ THỊ SỞ NHƯ
Khoa HÓA HỌC
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - Đại Học Quốc Gia tp HCM
2016
1
Chương 1
GIỚI THIỆU
1.1. Đối tượng nghiên cứu của hóa học
Thế giới vật chất chung quanh chúng ta luôn luôn vận động và biến đổi. Hóa học
ngày nay là khoa học nghiên cứu những quy luật liên quan tới các biến đổi của vật chất
gắn liền với các sự thay đổi tính chất, thành phần, và cấu tạo của chúng. Do đó một
trong các vấn đề các nhà hóa học quan tâm là giải thích mối quan hệ giữa tính chất,
thành phần, và cấu tạo của vật chất. Ví dụ, điều gì làm cho kim cương cứng còn than chì
mềm, tại sao nước hòa tan được đường mà không hòa tan được dầu, tại sao khi đốt
cháy than thì khí CO2 được tạo thành đồng thời với sự phát nhiệt, v.v... Ngoài ra, chúng
ta phải nhớ rằng tất cả vật chất quanh ta, các chất sống (từ tế bào tới động vật bậc cao)
và không sống (đất đá, sông núi...) đều tạo thành từ các hoá chất, do đó đối tượng quan
tâm của các nhà hóa học không chỉ là các vấn đề liên quan tới thế giới vô tri như các
câu hỏi ví dụ trên, mà cả thế giới các chất “sống” quanh ta.
Không chỉ vậy, công việc quan trọng của các nhà hóa học còn là nghiên cứu để
tìm ra các phương pháp và điều kiện để tạo ra các chất mới, hoặc cải tiến phương pháp
điều chế các chất đã biết. Trong lĩnh vực này, hóa học liên quan rất mật thiết với cuộc
sống của chúng ta. Nhờ các công nghệ liên quan với hóa học mà chúng ta có vải sợi,
thuốc men, thực phẩm chế biến, phân bón, thuốc trừ sâu…với vô số chủng loại thay đổi
theo nhu cầu của cuộc sống. Hóa học hiện đại còn nghiên cứu để lắp ráp các phân tử
nhỏ theo cách nào đó, tạo thành những cấu trúc mới chưa từng biết tới trong tự nhiên, ví
dụ, các hợp chất với các lỗ xốp có kích thước nhất định để dùng trong các ngành công
nghiệp khác nhau. Hóa học hiện đại cũng tìm ra những phương pháp mới để điều chế
hóa chất sao cho thân thiện với môi trường hơn, hướng nghiên cứu này đưa tới một lĩnh
vực mới với tên gọi là Hóa học xanh (Green Chemistry)...
Trong quá trình nghiên cứu tìm ra những chất mới, có không ít các chất được tạo
thành mà không có giá trị thiết thực nào đối với cuộc sống, tuy nhiên điều đó không phải
là hoàn toàn vô ích. Chính việc nghiên cứu dẫn tới những chất “không thiết thực” đó góp
phần giúp các nhà hóa học hiểu rõ hơn những yếu tố liên quan tới sự biến đổi của vật
chất, hoàn thiện hơn các kiến thức hóa học. Các kiến thức đó không chỉ cho phép các
nhà hóa học cải tiến, điều khiển các biến đổi hóa học để hy vọng tạo ra được những
chất mới đáp ứng ngày càng tốt hơn nhu cầu cuộc sống của chúng ta, mà còn giúp các
nhà khoa học nghiên cứu thế giới theo cách ngày càng hiệu quả hơn.
2
Nhiều kiến thức hóa học trước thế kỷ XVII được rút ra từ các thí nghiệm theo kiểu
“thử và sai”. Tuy nhiên, nếu tiến hành nghiên cứu theo cách “thử và sai” không định
hướng thì vừa tốn kém thời gian và công sức, vừa phung phí tiền bạc. Ngày nay, kiến
thức hóa học dựa trên các nguyên lý, các thuyết được rút ra từ sự khám phá thế giới
một cách có phương pháp và hệ thống, gọi là phương pháp nghiên cứu khoa học, sẽ
được giới thiệu trong phần tiếp theo sau đây.
1.2. Phương pháp nghiên cứu khoa học
Galieo, Francis Bacon, Robert Boyle, và Isaac Newton là những người đầu tiên
khai sinh phương pháp nghiên cứu khoa học vào thế kỷ XVII. Các nghiên cứu theo
phương pháp khoa học luôn được bắt đầu bằng quan sát khách quan, không dựa trên
bất cứ định kiến nào. Khi số lượng quan sát đủ lớn, người ta có thể rút ra được các qui
luật chung để mô tả các hiện tượng quan sát được – gọi là các định luật (natural law).
Nhiều định luật có thể được phát biểu dưới dạng các biểu thức toán học. Ví dụ, đầu thế
kỷ XVI, Nicolas Copernicus quan sát cẩn thận sự di chuyển của các hành tinh và kết
luận rằng trái đất và các hành tinh quay quanh mặt trời theo những quỹ đạo tròn với
phương trình nhất định. Kết luận của ông là ngược lại hẳn với những điều người ta tin
tưởng thời đó, rằng trái đất là trung tâm của vũ trụ, mặt trời và các hành tinh khác quay
quanh trái đất. Giá trị của định luật là cho phép chúng ta dự đoán hiện tượng sắp xảy ra.
Ví dụ, các phương trình của Copernicus cho phép dự đoán được vị trí của trái đất trong
tương lai chính xác hơn các quan niệm thời bấy giờ, nên có thể coi định luật Copernicus
là một thành công. Tuy nhiên, ta cần nhớ rằng không phải các định luật luôn tuyệt đối
đúng. Đôi khi kết quả từ các quan sát mới buộc chúng ta phải điều chỉnh định luật. Ví dụ,
các qui luật của Copernicus sau đó đã được điều chỉnh bởi Johannes Kepler, người cho
rằng các hành tinh chuyển động quanh mặt trời trên những quỹ đạo hình elip. Để điều
chỉnh định luật – tức là điều chỉnh kiến thức – các nhà khoa học phải thiết kế các thí
nghiệm để kiểm tra xem các kết luận trước có luôn đúng với kết quả thực nghiệm không.
Bên cạnh các qui luật chung được đưa ra ở dạng định luật, các nhà khoa học
cũng tìm cách giải thích tại sao các hiện tượng lại xảy ra theo qui luật như vậy. Các lời
giải thích sơ khởi cho qui luật được gọi là “giả thiết” (hypothesis). Khi có giả thiết, các
nhà khoa học sẽ thiết kế các thí nghiệm để kiểm tra giả thiết. Nếu kết quả thực nghiệm
phù hợp với giả thiết, tức là giả thiết đúng, giả thiết sẽ được phát triển thành thuyết, hay
lý thuyết (model, theory). Như vậy, thuyết chính là các lời giải thích tại sao các hiện
tượng tự nhiên xảy ra theo qui luật nào đó. Nếu kết quả thực nghiệm mâu thuẫn với giả
thiết, người ta phải điều chỉnh giả thuyết, và tiến hành kiểm tra lại giả thuyết mới. Đôi khi
3
không có qui luật và lời giải thích đúng cho tất cả các hiện tượng, khi đó giả thuyết phù
hợp nhất sẽ được giữ lại. Qua thời gian, các dữ kiện thực nghiệm mới được tích lũy,
một số lý thuyết và định luật được điều chỉnh, một số khác có thể bị loại bỏ. Nói cách
khác, lý thuyết và định luật không phải là các kiến thức bất di bất dịch, mà chúng có thể
thay đổi khi có nhiều thông tin mới được thu thập. Trong khoa học, kiến thức được tích
lũy và phát triển theo phương pháp nghiên cứu khoa học, là chuỗi các quá trình quan sát
– đưa ra định luật, giả thiết – thực nghiệm kiểm tra giả thiết và định luật – đưa ra lý
thuyết. Chu trình đó được tóm tắt trong Hình 1.1.
Hình 1.1. Tóm tắt chu trình nghiên cứu khoa học
Như vậy, các dữ kiện từ quan sát thực nghiệm là bước mở đầu và cũng là tiêu
chuẩn để đánh giá giá trị của các định luật và lý thuyết. Do đó, chúng ta giới thiệu kỹ hơn
về quan sát: quan sát được tiến hành nhờ các giác quan của con người và các công cụ
mà con người tạo ra để nối dài các giác quan của mình. Một số công cụ đơn giản nhất
để quan sát mà chúng ta đều biết như thước để đo độ dài, ống đong, lít để đo thể tích
chất lỏng, cân để đo khối lượng, kính viễn vọng để thấy được những ngôi sao ở xa,
v.v… Việc quan sát trong nghiên cứu hóa học có thể tiến hành một cách định tính hoặc
định lượng. Ví dụ, các quan sát cho thấy nước là chất lỏng, dung dịch AgCl trộn với
dung dịch NaCl thì xuất hiện kết tủa màu trắng, v.v… Đó là những quan sát định tính.
Một số quan sát mang tính định lượng như: nước nguyên chất đông đặc ở 0oC và sôi ở
100oC, chất kết tủa màu trắng tạo thành khi trộn dung dịch AgNO3 với dung dịch NaCl
chứa 75.27% bạc và 24.73% clo theo khối lượng. Càng ngày con người càng tìm ra
nhiều công cụ mới để quan sát tốt hơn thế giới tự nhiên, và định luật cùng lý thuyết theo
đó cũng được điều chỉnh.
4
Cũng lưu ý rằng, định luật và thuyết là hai sản phẩm lớn của nghiên cứu khoa
học, nhưng định luật khác với thuyết. Một cách ngắn gọn có thể nói rằng định luật tổng
kết những điều xảy ra, còn lý thuyết giải thích tại sao điều đó lại xảy ra như vậy. Điều
cần lưu ý là lý thuyết là sản phẩm từ trí tuệ của con người. Bằng kinh nghiệm của mình,
con người cố gắng giải thích thế giới tự nhiên qua các thuyết. Nói cách khác, lý thuyết là
phỏng đoán khoa học của con người. Muốn ngày càng tiếp cận tới sự hiểu biết chính
xác hơn về thế giới tự nhiên, con người phải liên tục tiến hành những thực nghiệm mới
và điều chỉnh các lý thuyết phù hợp với những hiểu biết mới.
Những điều ta vừa đề cập bên trên về phương pháp nghiên cứu khoa học có thể
coi là con đường lý tưởng nhất của phương pháp nghiên cứu khoa học. Thực tế con
đường đi tới kiến thức khoa học không phải bao giờ cũng bằng phẳng và hiệu quả,
không có đảm bảo nào cho sự thành công của nghiên cứu khoa học. Như đã nói ở trên,
giả thiết chịu ảnh hưởng của quan sát, không những vậy, giả thiết còn luôn dựa trên
những nền tảng lý thuyết trước đó, và trên hết, cả giả thiết và quan sát dều do con
người tiến hành nên không tránh được sự chủ quan của con người. Các kết quả nghiên
cứu tâm lý học chỉ ra rằng, con người thường dễ thấy những điều theo hướng ta mong
đợi hơn là nhận ra những điều ta không mong đợi. Nói cách khác, khi kiểm chứng lý
thuyết chúng ta thường tập trung vào những vấn đề đang xét, điều này là rất cần thiết,
nhưng cùng lúc, sự tập trung đó có thể làm ta không nhìn thấy các khả năng giải thích
vấn đề theo các hướng mới lạ hơn. Điều này có thể làm hạn chế óc sáng tạo của chúng
ta, và cũng có thể ngăn cản chúng ta nhận thức vấn đề một cách toàn diện và sát với
thực tế hơn.
1.3. Nội dung và yêu cầu của môn Hóa học đại cương
Như vừa nói ở trên, nghiên cứu khoa học đươc thực hiện theo trình tự quan sát –
định luật và lý thuyết – áp dụng. Trong môn học Hóa đại cương, chúng ta sẽ quan tâm
chủ yếu tới các định luật và lý thuyết nền tảng đã được các nhà hóa học công nhận. Nói
cách khác, môn học Hóa đại cương sẽ cung cấp cho sinh viên những nguyên lý cơ bản
nhất trong hóa học thông qua các thuyết và định luật. Các nguyên lý đó là cơ sở để dự
đoán tính chất của các chất cũng như khả năng phản ứng của chúng để chuyển hóa một
chất nào đó thành chất này hay chất khác.
Học xong môn Hóa học đại cương, chúng ta phải nắm được nội dung của các
thuyết và định luật cơ bản trong hóa học, vận dụng được thuyết và định luật để giải thích
cũng như dự đoán được một số quá trình trong thực tế. Điều chúng ta cần lưu ý là có
thể có nhiều thuyết cùng giải thích một vấn đề, ví dụ thuyết liên kết cộng hóa trị (VB) và
