Hóa học — khi các nguyên tử bắt tay nhau
Nếu vật lý hỏi "mọi thứ chuyển động và vận hành ra sao", thì hóa học hỏi một câu gần gũi hơn nhiều: "mọi thứ được làm từ cái gì, và tại sao chúng lại kết hợp với nhau theo cách đó?".
Mình thích nghĩ về hóa học như thế này: nếu cả vũ trụ là một bộ LEGO khổng lồ, thì vật lý nghiên cứu xem các viên gạch rơi và va chạm ra sao, còn hóa học nghiên cứu xem các viên gạch gắn vào nhau bằng cách nào — và gắn theo kiểu nào thì ra được thứ gì. Ly cà phê, viên thuốc cảm cúm, màn hình điện thoại, thậm chí chính cơ thể mình — tất cả đều là kết quả của những "cái bắt tay" giữa các nguyên tử.
Bài này mình viết về những cái bắt tay đó.
Hóa học nghiên cứu cái gì?
Nói ngắn gọn: hóa học nghiên cứu cách các nguyên tử và phân tử tương tác, kết hợp và biến đổi thành chất mới.
Nghe thì đơn giản, nhưng quy mô của nó khổng lồ: cả thế giới vật chất quanh ta — từ không khí, nước biển, đá núi cho tới chiếc áo đang mặc — đều dựng nên từ chỉ 118 nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Trong đó, chỉ 94 nguyên tố tồn tại sẵn trong tự nhiên, số còn lại do con người tổng hợp trong phòng thí nghiệm. Toàn bộ sự đa dạng của thế giới — hàng triệu hợp chất — đều bắt đầu từ chưa tới 100 "viên gạch" tự nhiên.
Người ta hay gọi hóa học là "khoa học trung tâm": nó đứng giữa vật lý và sinh học, làm cây cầu nối hai tầng — giải thích bằng cách nào những hạt vật lý xếp thành phân tử, rồi phân tử xếp thành sự sống.
Ba kiểu bắt tay của nguyên tử
Nguyên tử không thích ở một mình. Hầu hết chúng đều tìm cách "bắt tay" với nguyên tử khác để đạt trạng thái bền vững hơn, và có ba kiểu bắt tay chính.
Kiểu thứ nhất: chia sẻ — liên kết cộng hóa trị. Hai nguyên tử cùng góp electron để dùng chung, giống như hai đứa trẻ cùng nắm một món đồ chơi. Nước là ví dụ quen thuộc nhất: một nguyên tử oxy chia sẻ electron với hai nguyên tử hydro, tạo thành H₂O. Chính cách chia sẻ này làm nước có đủ thứ tính chất kỳ lạ — ví dụ đá nhẹ hơn nước lỏng nên nổi trên mặt nước, nhờ đó cá dưới hồ vẫn sống được qua mùa đông.
Kiểu thứ hai: cho — nhận — liên kết ion. Một nguyên tử cho hẳn electron của mình cho nguyên tử khác, một bên thành điện tích dương, một bên thành điện tích âm, rồi chúng hút nhau. Muối ăn là ví dụ điển hình: natri cho electron cho clo, thành Na⁺ và Cl⁻, hút nhau thành tinh thể muối. Tính chất của muối nằm ở cách các ion sắp xếp, không nằm ở từng nguyên tử riêng lẻ.
Kiểu thứ ba: dùng chung tập thể — liên kết kim loại. Trong một thanh sắt hay sợi dây đồng, các electron không thuộc về riêng nguyên tử nào mà chạy tự do khắp cả khối kim loại, như một "biển electron". Nhờ vậy kim loại dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, lại dẻo — uốn cong được mà không gãy. Dây sạc điện thoại hoạt động được là nhờ kiểu bắt tay này.
Chỉ ba kiểu bắt tay, kết hợp với nhau theo đủ cách, tự nhiên đã "xây" ra cả thế giới vật chất.
Cùng một nguyên tố, nhiều số phận: chuyện của cacbon
Đây là phần mình thấy hay nhất của hóa học: cùng một nguyên tố, chỉ cần xếp các nguyên tử theo cách khác nhau, là ra những vật liệu có tính chất khác nhau hoàn toàn. Không có ví dụ nào rõ hơn cacbon.
Kim cương và than chì — thứ làm nên ruột bút chì — đều là cacbon nguyên chất, 100%. Nhưng trong kim cương, mỗi nguyên tử cacbon liên kết với bốn nguyên tử khác thành mạng lưới ba chiều cực kỳ cứng. Kết quả: kim cương là chất tự nhiên cứng nhất con người biết — hạng 10 trên thang Mohs — và không dẫn điện.
Trong than chì, mỗi nguyên tử cacbon chỉ liên kết với ba nguyên tử khác, xếp thành từng lớp phẳng hình lục giác, các lớp chỉ dính nhau bằng lực rất yếu. Các lớp trượt lên nhau dễ dàng — đó là lý do than chì mềm, trơn, viết được ra giấy — và electron thừa trong mỗi lớp khiến than chì dẫn điện tốt.
Cùng một nguyên tố, một bên là viên đá quý cứng nhất thế giới, một bên là thứ mình chà lên giấy mỗi ngày. Khác biệt duy nhất nằm ở cách các nguyên tử nắm tay nhau.
Câu chuyện còn hay hơn với graphene: năm 2004, hai nhà vật lý Andre Geim và Konstantin Novoselov ở Đại học Manchester đã dùng một cách đơn giản đến khó tin — băng dính — để bóc than chì mỏng dần tới khi chỉ còn đúng một lớp nguyên tử cacbon duy nhất. Lớp đó chính là graphene: mỏng nhất có thể, nhưng cứng hơn thép, dẫn điện cực tốt, gần như trong suốt. Công trình này mang về cho hai ông giải Nobel Vật lý năm 2010, chỉ sáu năm sau khi công bố — tốc độ hiếm thấy đối với giải Nobel.
Một nguyên tố, ba số phận. Đó là lý do mình nghĩ hóa học không chỉ là môn học về "chất này cộng chất kia ra chất gì" — nó là môn học về cách sắp xếp tạo ra tính chất.
Từ vài chục viên gạch đến vô vàn hợp chất
Một câu hỏi tự nhiên: nếu chỉ có chừng đó nguyên tố, làm sao biết còn nguyên tố nào chưa tìm ra, hay nguyên tố nào kết hợp với nguyên tố nào?
Câu trả lời nằm ở bảng tuần hoàn. Năm 1869, nhà hóa học người Nga Dmitri Mendeleev xếp các nguyên tố đã biết theo khối lượng nguyên tử và tính chất, và nhận ra chúng lặp lại theo chu kỳ. Điều phi thường là ông dám để trống vài ô — và dự đoán cả tính chất của những nguyên tố chưa ai tìm thấy, như gali và germani. Vài năm sau, người ta tìm ra đúng những nguyên tố đó, với tính chất gần như khớp hoàn toàn với dự đoán của ông. Bảng tuần hoàn không chỉ là danh mục — nó là một bản đồ có khả năng tiên đoán.
Bản đồ đó vẫn đang được viết tiếp: bảng tuần hoàn nay có 118 nguyên tố được xác nhận, bốn nguyên tố mới nhất (nihonium, moscovium, tennessine, oganesson) mới được công nhận chính thức vào năm 2016.
Từ 118 nguyên tố đó, hóa học đã tạo ra — và phát hiện ra — hàng triệu hợp chất. Riêng các phân tử hữu cơ, tức các hợp chất chứa cacbon, đã lên tới hàng chục triệu loại, vì cacbon rất "dễ tính": nó liên kết với chính mình thành chuỗi dài, thành vòng, thành mạng lưới, rồi gắn thêm hydro, oxy, nitơ... Mỗi cách gắn khác nhau là một hợp chất mới. Thuốc, nhựa, sợi vải, nhiên liệu — phần lớn đều là trò chơi xếp hình của cacbon.
Hóa học nuôi sống và chữa bệnh cho nhân loại
Hóa học không chỉ là chuyện trong phòng thí nghiệm. Có hai ví dụ mà mình nghĩ đủ để thấy nó đã thay đổi lịch sử loài người ra sao.
Thứ nhất: phân bón, hay câu chuyện nuôi sống một nửa nhân loại. Cây trồng cần nitơ để lớn, nhưng nitơ trong không khí — chiếm tới 78% khí quyển — lại tồn tại dưới dạng phân tử N₂ với liên kết ba cực kỳ bền, cây không dùng trực tiếp được. Đầu thế kỷ 20, Fritz Haber và Carl Bosch đã tìm ra cách "bẻ gãy" liên kết đó: cho nitơ phản ứng với hydro ở nhiệt độ và áp suất cao, có xúc tác sắt, để tạo ra amoniac (NH₃) — nguyên liệu làm phân đạm. Phương trình trông đơn giản — N₂ + 3H₂ → 2NH₃ — nhưng làm được ở quy mô công nghiệp là cả một kỳ công. Theo phân tích trên tạp chí
Nature Geoscience năm 2008, khoảng một nửa lượng lương thực của thế giới hiện nay phụ thuộc vào phân bón tổng hợp từ quy trình này. Nói cách khác, cứ hai người trên Trái Đất thì có một người đang "ăn" nhờ một phản ứng hóa học. Cái giá cũng không nhỏ: quy trình này tiêu thụ khoảng 1–2% tổng năng lượng toàn cầu và là nguồn phát thải CO₂ đáng kể — bài toán mà hóa học hiện đại vẫn đang tìm cách giải.
Thứ hai: thuốc kháng sinh. Năm 1928, bác sĩ Alexander Fleming ở Bệnh viện St Mary (London) phát hiện nấm mốc
Penicillium tiết ra chất giết chết vi khuẩn xung quanh, và đặt tên cho chất đó là penicillin. Nhưng phải hơn mười năm sau, nhóm của Howard Florey và Ernst Chain ở Đại học Oxford mới tinh chế được nó thành thuốc dùng được, và tới Thế chiến II penicillin mới được sản xuất hàng loạt để cứu thương binh. Ba người cùng nhận giải Nobel Y học năm 1945. Trước penicillin, một vết thương nhiễm trùng nhỏ cũng có thể lấy mạng người; sau penicillin, nhân loại bước vào kỷ nguyên kháng sinh. Tất cả bắt đầu từ một đĩa petri bị mốc.
Hóa học là ngôn ngữ chung
Mình kết bài bằng một hình ảnh: nếu vật lý là ngữ pháp của vũ trụ, thì hóa học là từ vựng. Vật lý cho mình quy tắc; hóa học cho mình chữ để viết nên mọi thứ — từ viên đá, giọt nước, tới viên thuốc và cả chính mình.
Câu chuyện chưa dừng ở đây. Khi các phân tử hữu cơ bắt đầu tự sắp xếp thành những hệ thống phức tạp hơn — tự sao chép, tự sửa chữa, tự duy trì — hóa học chạm tới ngưỡng cửa của một thứ khác: sự sống. Đó sẽ là chủ đề của bài sau, về sinh học: khi mà "đống hóa chất" kia, qua hàng tỉ năm, bỗng dưng biết... sống.
---
Nguồn tham khảo
