Hóa Học - Môn học nhiều người sợ hãi (Phần 2)

Trước khi vào bài viết nếu ai chưa xem phần 1 thì hãy xem đi nha!

Hóa học nói chung là một môn khoa học tích lũy. Theo thời gian, số lượng và mức độ của các quan sát và hiện tượng được nghiên cứu tăng lên. Tuy nhiên, không phải tất cả các giả thuyết và khám phá đều không bị thách thức. Một số trong số chúng bị loại bỏ khi xuất hiện những quan sát mới hoặc những giải thích thỏa mãn hơn. Tuy nhiên, hóa học có một phổ rộng các mô hình giải thích cho các hiện tượng hóa học đã tồn tại và được mở rộng theo thời gian. Hiện nay chúng có trạng thái là các lý thuyết, các tập hợp các thiết bị giải thích được kết nối với nhau có tương quan tốt với các hiện tượng quan sát được. Khi những khám phá mới được thực hiện, chúng được đưa vào lý thuyết hiện có bất cứ khi nào có thể. Tuy nhiên, như sự phát hiện ra chất siêu dẫn nhiệt độ cao vào năm 1986 đã minh họa, lý thuyết được chấp nhận không bao giờ đủ để dự đoán quá trình khám phá trong tương lai. Sự may rủi, hay khám phá cơ hội, sẽ tiếp tục đóng một vai trò nào đó trong tương lai cũng như sự phức tạp về mặt lý thuyết.

Các đặc tính hóa học của một chất là một chức năng trong cấu trúc của nó, và các kỹ thuật tinh thể học tia X hiện nay cho phép các nhà hóa học xác định sự sắp xếp nguyên tử chính xác của các phân tử phức tạp. Phân tử là một tập hợp các nguyên tử có trật tự. Mỗi nguyên tử trong phân tử được kết nối với một hoặc nhiều nguyên tử lân cận bằng liên kết hóa học. Độ dài của liên kết và góc giữa các liên kết liền kề đều quan trọng trong việc mô tả cấu trúc phân tử, và lý thuyết toàn diện về liên kết hóa học là một trong những thành tựu chính của hóa học hiện đại. Cơ bản của lý thuyết liên kết là khái niệm nguyên tử-phân tử

Về mặt hóa học nói chung, nguyên tử được cấu tạo bởi ba hạt cơ bản: proton, neutron và electron. Mặc dù bản thân proton và neutron được cấu tạo từ các đơn vị nhỏ hơn, cấu trúc con của chúng có rất ít tác động đến sự biến đổi hóa học. Như đã được giải thích trong phần trước, proton mang điện tích +1, và số lượng proton trong hạt nhân nguyên tử phân biệt một loại nguyên tử hóa học này với một loại nguyên tử hóa học khác. Nguyên tử đơn giản nhất, hydro, có hạt nhân bao gồm một proton duy nhất. Nơtron có khối lượng rất gần bằng với proton, nhưng nó không có điện tích. Nơtron được chứa với proton trong hạt nhân của tất cả các nguyên tử khác ngoài hydro. Nguyên tử với một proton và một neutron trong hạt nhân của nó được gọi là đơteri. Bởi vì nó chỉ có một proton, đơteri thể hiện các tính chất hóa học giống như hydro nhưng có khối lượng khác. Hiđro và đơteri là những ví dụ về các nguyên tử liên quan được gọi là đồng vị. Hạt nguyên tử thứ ba, electron, có điện tích -1, nhưng khối lượng của nó nhỏ hơn hạt proton 1,836 lần. Electron chiếm một vùng không gian bên ngoài hạt nhân được gọi là một quỹ đạo. Một số obitan hình cầu với hạt nhân ở tâm. Bởi vì các electron có khối lượng rất nhỏ và di chuyển với tốc độ gần bằng một nửa ánh sáng, chúng thể hiện lưỡng tính sóng-hạt giống như các photon ánh sáng. Điều này có nghĩa là một số đặc tính của electron được mô tả tốt nhất bằng cách coi electron là một hạt, trong khi các đặc tính khác phù hợp với đặc tính của sóng dừng. Năng lượng của sóng dừng, chẳng hạn như một sợi dây dao động, được phân bố trên vùng không gian được xác định bởi hai đầu cố định và các cực của dao động lên và xuống. Sóng như vậy không tồn tại trong một vùng không gian cố định cũng như một hạt. Các mô hình ban đầu về cấu trúc nguyên tử đã hình dung electron như một hạt quay quanh hạt nhân, nhưng các obitan electron ngày nay được hiểu là các vùng không gian bị chiếm giữ bởi sóng dừng được gọi là hàm sóng. Các hàm sóng này đại diện cho các vùng không gian xung quanh hạt nhân mà ở đó xác suất tìm thấy một điện tử là cao. Chúng đóng một vai trò quan trọng trong lý thuyết liên kết, như sẽ được thảo luận ở phần sau.

Mỗi proton trong hạt nhân nguyên tử cần một electron để trung hòa về điện. Do đó, khi số proton trong hạt nhân tăng lên thì số electron cũng tăng theo. Các electron, riêng lẻ hoặc theo cặp, chiếm các obitan ngày càng xa hạt nhân. Các điện tử ở xa hạt nhân hơn bị thu hút ít mạnh hơn bởi các proton trong hạt nhân, và chúng có thể bị tách ra khỏi nguyên tử dễ dàng hơn. Năng lượng cần thiết để di chuyển một electron từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác, hoặc từ quỹ đạo này sang không gian tự do, cho phép đo mức năng lượng của các obitan. Những năng lượng này đã được tìm thấy là có các giá trị riêng biệt, cố định; chúng được cho là đã được lượng tử hóa. Sự khác biệt về năng lượng giữa các obitan làm phát sinh các dạng hấp thụ hoặc phát xạ ánh sáng đặc trưng riêng cho từng nguyên tử hóa học.

Một nguyên tử hóa học mới - nghĩa là một nguyên tố - là kết quả mỗi khi một proton khác được thêm vào hạt nhân nguyên tử. Việc bổ sung liên tiếp các proton tạo ra toàn bộ phạm vi các nguyên tố được biết là tồn tại trong vũ trụ. Hợp chất được hình thành khi hai hoặc nhiều nguyên tố khác nhau kết hợp với nhau thông qua liên kết nguyên tử. Sự hình thành liên kết như vậy là kết quả của sự kết đôi electron và là nền tảng của tất cả các cấu trúc hóa học.

Khi hai nguyên tử khác nhau tiến lại gần nhau, các electron ở obitan ngoài cùng của chúng có thể phản ứng theo hai cách riêng biệt. Một electron ở obitan nguyên tử ngoài cùng của nguyên tử A có thể chuyển động hoàn toàn sang obitan ngoài cùng nhưng ổn định hơn của nguyên tử B. Các nguyên tử mang điện, kết quả là A + và B-, được gọi là ion, và lực hút tĩnh điện giữa chúng làm phát sinh cái gì được gọi là một liên kết ion. Hầu hết các nguyên tố có thể hình thành liên kết ion, và các chất kết quả thường tồn tại dưới dạng mảng ba chiều gồm các ion âm và dương. Các hợp chất ion thường là chất rắn kết tinh có điểm nóng chảy cao (ví dụ, muối ăn).

Cách thứ hai mà hai electron lớp ngoài cùng của nguyên tử A và B có thể phản ứng với cách tiếp cận của A và B là bắt cặp để tạo thành liên kết cộng hóa trị. Theo quan điểm đơn giản được gọi là mô hình liên kết hóa trị, trong đó các điện tử được coi là hạt một cách chặt chẽ, hai điện tử ghép đôi được cho là nằm giữa hai hạt nhân và được chia sẻ như nhau bởi các nguyên tử A và B, dẫn đến liên kết cộng hóa trị. Các nguyên tử liên kết với nhau bằng một hoặc nhiều liên kết cộng hóa trị tạo thành phân tử. Khí hydro được cấu tạo bởi các phân tử hydro, trong đó lần lượt bao gồm hai nguyên tử hydro liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị. Kí hiệu H2 cho khí hiđro được gọi là công thức phân tử. Công thức phân tử cho biết số lượng và loại nguyên tử tạo nên phân tử. Phân tử H2 chịu trách nhiệm về các tính chất thường liên kết với khí hydro. Hầu hết các chất trên Trái đất có các phân tử liên kết cộng hóa trị là đơn vị hóa học cơ bản của chúng, và các tính chất phân tử của chúng hoàn toàn khác với các tính chất của các nguyên tố cấu thành. Ví dụ, các tính chất vật lý và hóa học của cacbon điôxít khá khác biệt với các đặc tính của cacbon nguyên chất và ôxy nguyên chất.

Việc giải thích liên kết cộng hóa trị như một cặp electron cục bộ là sự đơn giản hóa quá mức của tình trạng liên kết. Một mô tả toàn diện hơn về liên kết xem xét các tính chất sóng của electron là lý thuyết quỹ đạo-phân tử. Theo lý thuyết này, các electron trong phân tử, thay vì nằm giữa các nguyên tử, được phân bố trên tất cả các nguyên tử trong phân tử trong một phân bố không gian được mô tả bởi một quỹ đạo phân tử. Các obitan như vậy là kết quả khi các obitan nguyên tử của các nguyên tử ngoại quan kết hợp với nhau. Tổng số obitan phân tử có trong phân tử bằng tổng tất cả các obitan nguyên tử trong các nguyên tử cấu thành trước khi liên kết. Do đó, đối với sự kết hợp đơn giản của các nguyên tử A và B để tạo thành phân tử AB, hai obitan nguyên tử kết hợp để tạo ra hai obitan phân tử. Một trong số này, được gọi là orbital phân tử liên kết, đại diện cho một vùng không gian bao bọc cả nguyên tử A và B, trong khi vùng còn lại, obitan phân tử phản liên kết, có hai thùy, cả hai đều không chiếm không gian giữa hai nguyên tử. . Các obitan phân tử liên kết ở mức năng lượng thấp hơn so với hai obitan nguyên tử, trong khi obitan phản liên kết ở mức năng lượng cao hơn. Hai electron ghép đôi tạo thành liên kết cộng hóa trị giữa A và B chiếm obitan phân tử liên kết. Vì lý do này, có khả năng cao là tìm thấy các electron giữa A và B, nhưng chúng cũng có thể được tìm thấy ở những nơi khác trong quỹ đạo. Bởi vì chỉ có hai điện tử tham gia vào quá trình hình thành liên kết và cả hai đều có thể chứa trong quỹ đạo năng lượng thấp hơn, nên quỹ đạo phản liên kết vẫn không được phổ biến. Thuyết liên kết này dự đoán rằng liên kết giữa A và B sẽ xảy ra vì năng lượng của các electron được ghép đôi sau khi liên kết nhỏ hơn năng lượng của hai electron trong obitan nguyên tử của chúng trước khi liên kết. Do đó, sự hình thành liên kết cộng hóa trị được ưu tiên về mặt năng lượng. Hệ thống đi từ trạng thái có năng lượng cao hơn sang trạng thái có năng lượng thấp hơn.

Một đặc điểm khác của bức tranh liên kết này là nó có thể dự đoán năng lượng cần thiết để di chuyển một điện tử từ quỹ đạo phân tử liên kết sang quỹ đạo phản liên kết. Ví dụ, năng lượng cần thiết cho một kích thích điện tử như vậy có thể được cung cấp bởi ánh sáng nhìn thấy, và bước sóng của ánh sáng được hấp thụ xác định màu hiển thị của phân tử hấp thụ (ví dụ, hoa violet có màu xanh lam vì các sắc tố trong hoa hấp thụ các tia đỏ của ánh sáng tự nhiên và phản chiếu nhiều màu xanh hơn). Khi số lượng nguyên tử trong phân tử tăng lên thì số lượng obitan phân tử cũng tăng theo. Tính toán các obitan phân tử cho các phân tử lớn là một việc khó về mặt toán học, nhưng máy tính đã giúp xác định được phương trình sóng của một số phân tử lớn. Các tính chất phân tử được dự đoán bởi các tính toán như vậy tương quan tốt với kết quả thực nghiệm.

Nhiều nguyên tố có thể hình thành hai hoặc nhiều liên kết cộng hóa trị, nhưng chỉ một số ít có thể tạo thành chuỗi liên kết cộng hóa trị kéo dài. Ví dụ nổi bật là cacbon, có thể tạo thành bốn liên kết cộng hóa trị và có thể liên kết với chính nó vô thời hạn. Tổng cộng cacbon có sáu electron, hai trong số chúng được ghép nối trong một quỹ đạo nguyên tử gần hạt nhân nhất. Bốn phần còn lại ở xa hạt nhân hơn và có sẵn liên kết cộng hóa trị. Khi có đủ sự hiện diện của hydro, cacbon sẽ phản ứng để tạo thành metan, CH4. Khi cả bốn cặp electron chiếm bốn obitan phân tử có năng lượng thấp nhất, phân tử có hình dạng là một tứ diện, với cacbon ở tâm và bốn nguyên tử hydro ở đỉnh. Độ dài liên kết C – H là 110 picomet (1 picomet = 10^-12 mét), và góc giữa các liên kết C – H liền kề là gần 110 °. Đối xứng tứ diện như vậy là phổ biến cho nhiều hợp chất cacbon và dẫn đến các khả năng cấu trúc thú vị. Nếu liên kết hai nguyên tử cacbon với nhau, với ba nguyên tử hiđro liên kết với mỗi nguyên tử cacbon thì sẽ thu được phân tử etan. Khi bốn nguyên tử cacbon liên kết với nhau, có thể có hai cấu trúc khác nhau: cấu trúc tuyến tính được ký hiệu là n-butan và cấu trúc phân nhánh được gọi là iso-butan. Hai cấu trúc này có cùng công thức phân tử, C4H10, nhưng thứ tự gắn kết các nguyên tử cấu thành của chúng khác nhau. Hai phân tử được gọi là đồng phân cấu trúc. Mỗi người trong số họ có các tính chất hóa học và vật lý độc đáo, và chúng là các hợp chất khác nhau. Số lượng đồng phân có thể có tăng nhanh chóng khi số lượng nguyên tử cacbon tăng lên. Có năm đồng phân cho C6H14, 75 cho C10H22 và 6,2 × 10^13 cho C40H82. Khi cacbon tạo liên kết với các nguyên tử không phải hydro, chẳng hạn như oxy, nitơ và lưu huỳnh, khả năng cấu trúc càng trở nên lớn hơn. Chính tiềm năng to lớn về sự đa dạng cấu trúc này đã làm cho các hợp chất cacbon trở nên thiết yếu đối với các sinh vật sống.

Ngay cả khi trình tự liên kết của các hợp chất cacbon được cố định, vẫn có thể xảy ra sự biến đổi cấu trúc khác. Khi hai nguyên tử cacbon liên kết với nhau bằng hai cặp electron liên kết, một liên kết đôi được hình thành. Liên kết đôi buộc hai nguyên tử cacbon và các nhóm liên kết thành một cấu trúc phẳng, cứng. Kết quả là, một phân tử như CHCl = CHCl có thể tồn tại ở hai dạng không phân tử được gọi là đồng phân hình học. Độ cứng của cấu trúc cũng xảy ra trong cấu trúc vòng, và các nhóm đính kèm có thể nằm trên cùng một mặt của vòng hoặc ở các mặt khác nhau. Tuy nhiên, một cơ hội khác cho thuyết đồng phân xuất hiện khi một nguyên tử cacbon được liên kết với bốn nhóm khác nhau. Chúng có thể được gắn theo hai cách khác nhau, một trong số đó là hình ảnh phản chiếu của hình ảnh kia. Loại đồng phân này được gọi là đồng phân quang học, bởi vì hai đồng phân ảnh hưởng đến ánh sáng phân cực phẳng khác nhau. Có thể có hai đồng phân quang học đối với mỗi nguyên tử cacbon được liên kết với bốn nhóm khác nhau. Đối với một phân tử mang 10 nguyên tử cacbon như vậy, tổng số đồng phân có thể có là 2^10 = 1,024. Các phân tử sinh học lớn thường có 10 nguyên tử cacbon trở lên mà có thể có các đồng phân quang học như vậy. Chỉ một trong số tất cả các đồng phân có thể có sẽ giống với phân tử tự nhiên. Vì lý do này, việc tổng hợp các phân tử hữu cơ lớn trong phòng thí nghiệm là vô cùng khó khăn. Chỉ trong vài thập kỷ cuối của thế kỷ 20, các nhà hóa học mới thành công trong việc phát triển các thuốc thử và quy trình tạo ra các đồng phân quang học cụ thể. Họ kỳ vọng rằng các phương pháp tổng hợp mới sẽ giúp cho việc tổng hợp các sản phẩm tự nhiên ngày càng phức tạp hơn.

Cấu trúc của các chất ion và các phân tử liên kết cộng hóa trị quyết định phần lớn chức năng của chúng. Như đã lưu ý ở trên, các đặc tính của một chất phụ thuộc vào số lượng và loại nguyên tử mà nó chứa cũng như các kiểu liên kết hiện có. Tuy nhiên, đặc tính khối lượng của nó cũng phụ thuộc vào sự tương tác giữa các nguyên tử, ion hoặc phân tử riêng lẻ. Lực hút giữa các đơn vị cơ bản của một chất quyết định liệu, ở một nhiệt độ và áp suất nhất định, chất đó sẽ tồn tại trong pha rắn, lỏng hay khí. Ví dụ, ở nhiệt độ và áp suất phòng, lực hút mạnh giữa các ion dương của natri (Na +) và các ion âm của clo (Cl−) kéo chúng thành một cấu trúc rắn chắc. Lực hút yếu hơn giữa các phân tử nước lân cận cho phép đặc tính đóng gói lỏng lẻo hơn của chất lỏng. Cuối cùng, các lực hấp dẫn rất yếu tác dụng giữa các phân tử oxy liền kề bị vượt quá bởi lực phân tán của nhiệt; oxy, do đó, là một chất khí. Do đó, lực giữa các hạt ảnh hưởng đến đặc tính hóa học và vật lý của các chất, nhưng chúng cũng quyết định ở mức độ lớn cách một hạt sẽ phản ứng với sự tiếp cận của một hạt khác. Nếu hai hạt phản ứng với nhau để tạo thành các hạt mới thì đã xảy ra phản ứng hóa học. Bất chấp sự đa dạng cấu trúc không giới hạn được cho phép bởi liên kết phân tử, thế giới sẽ không có sự sống nếu các chất không có khả năng thay đổi. Nghiên cứu về sự biến đổi hóa học, bổ sung cho nghiên cứu về cấu trúc phân tử, được xây dựng dựa trên các khái niệm năng lượng và entropi.

Khái niệm năng lượng là một khái niệm cơ bản và quen thuộc trong tất cả các ngành khoa học. Nói một cách dễ hiểu, năng lượng của một cơ thể thể hiện khả năng làm việc của nó, và bản thân hoạt động là một lực tác động trên một khoảng cách.

Hệ thống hóa học có thể có cả động năng (năng lượng của chuyển động) và thế năng (năng lượng dự trữ). Động năng sở hữu bởi bất kỳ tập hợp phân tử nào trong chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí được gọi là nhiệt năng của nó. Vì chất lỏng nở ra khi chúng có nhiều nhiệt năng hơn, ví dụ, một cột thủy ngân lỏng sẽ tăng cao hơn trong một ống hút chân không khi nó trở nên ấm hơn. Theo cách này, một nhiệt kế có thể được sử dụng để đo nhiệt năng hay nhiệt độ của một hệ thống. Nhiệt độ mà tại đó tất cả các chuyển động của phân tử dừng lại được gọi là nhiệt độ không tuyệt đối.

Năng lượng cũng có thể được lưu trữ trong các nguyên tử hoặc phân tử dưới dạng năng lượng tiềm năng. Khi proton và neutron kết hợp với nhau để tạo thành hạt nhân của một nguyên tố nào đó, sự giảm thế năng đi kèm với việc sinh ra một lượng động năng rất lớn. Ví dụ, hãy xem xét sự hình thành của hạt nhân đơteri từ một proton và một neutron. Đơn vị khối lượng cơ bản của nhà hóa học là mol, đại diện cho khối lượng, tính bằng gam, của 6,02 × 10^23 hạt riêng lẻ, cho dù chúng là nguyên tử hay phân tử. Một mol proton có khối lượng 1,007825 gam và một mol nơtron có khối lượng 1,008665 gam. Bằng cách cộng đơn giản khối lượng của một mol nguyên tử đơteri (bỏ qua khối lượng không đáng kể của một mol electron) là 2,016490 gam. Khối lượng đo được nhỏ hơn khối lượng này 0,00239 gam. Khối lượng còn thiếu được gọi là năng lượng liên kết của hạt nhân và đại diện cho khối lượng tương đương với năng lượng được giải phóng bởi sự hình thành hạt nhân. Bằng cách sử dụng công thức của Einstein về sự chuyển đổi khối lượng thành năng lượng (E = mc^2), người ta có thể tính được năng lượng tương đương của 0,00239 gam là 2,15 × 10^8 kilojoules. Năng lượng này lớn hơn khoảng 240.000 lần so với năng lượng được giải phóng khi đốt cháy một mol khí metan. Những nghiên cứu như vậy về năng lượng của sự hình thành nguyên tử và sự chuyển đổi giữa các nguyên tử là một phần của một chuyên ngành được gọi là hóa học hạt nhân.

Năng lượng được giải phóng bởi quá trình đốt cháy khí mê-tan là khoảng 900 kilojoules trên một mol. Mặc dù ít hơn nhiều so với năng lượng do các phản ứng hạt nhân giải phóng, nhưng năng lượng do một quá trình hóa học như đốt cháy tỏa ra đủ lớn để được coi là nhiệt và ánh sáng. Năng lượng được giải phóng trong cái gọi là phản ứng tỏa nhiệt vì các liên kết hóa học trong các phân tử sản phẩm, carbon dioxide và nước, mạnh hơn và ổn định hơn so với các liên kết hóa học trong phân tử chất phản ứng, metan và oxy. Thế năng hóa học của hệ đã giảm, và hầu hết năng lượng được giải phóng xuất hiện dưới dạng nhiệt, trong khi một số xuất hiện dưới dạng năng lượng bức xạ hoặc ánh sáng. Nhiệt tạo ra từ phản ứng cháy như vậy sẽ làm tăng nhiệt độ của không khí xung quanh và ở áp suất không đổi, thể tích của nó tăng lên. Sự giãn nở của không khí dẫn đến công việc được thực hiện. Ví dụ, trong xi lanh của động cơ đốt trong, quá trình đốt cháy xăng tạo ra các khí nóng nở ra chống lại một pít tông đang chuyển động. Chuyển động của piston làm quay một trục khuỷu, sau đó sẽ đẩy xe. Trong trường hợp này, thế năng hóa học đã được chuyển đổi thành nhiệt năng, một số trong số đó tạo ra công hữu ích. Quá trình này minh họa một tuyên bố về sự bảo toàn năng lượng được biết đến như là định luật đầu tiên của nhiệt động lực học. Định luật này nói rằng, đối với một phản ứng tỏa nhiệt, năng lượng do hệ hóa học giải phóng bằng nhiệt lượng thu được của môi trường xung quanh cộng với công thực hiện. Bằng cách đo nhiệt lượng và các đại lượng làm việc đi kèm với các phản ứng hóa học, có thể xác định chắc chắn sự khác biệt về năng lượng giữa các chất phản ứng và sản phẩm của các phản ứng khác nhau. Theo cách này, có thể xác định được thế năng tích trữ trong nhiều phân tử khác nhau và có thể tính toán được những thay đổi năng lượng đi kèm với các phản ứng hóa học.

Một số quá trình hóa học xảy ra mặc dù không có sự thay đổi năng lượng ròng. Hãy xem xét một bình chứa khí, được nối với bình đã được sơ tán qua một kênh, trong đó một tấm chắn cản trở khí đi qua. Nếu tấm chắn được gỡ bỏ, khí sẽ nở ra bình được hút chân không. Sự giãn nở này phù hợp với nhận xét rằng một chất khí luôn luôn nở ra để lấp đầy thể tích có sẵn. Khi nhiệt độ của cả hai bình như nhau thì năng lượng của khí trước và sau khi dãn nở là như nhau. Tuy nhiên, phản ứng ngược lại không xảy ra. Phản ứng tự phát là phản ứng gây ra trạng thái rối loạn lớn hơn. Trong thể tích giãn nở, các phân tử khí riêng lẻ có chuyển động tự do lớn hơn và do đó trật tự hơn. Phép đo mức độ rối loạn của một hệ thống là một đại lượng được gọi là entropi. Ở nhiệt độ không tuyệt đối, mọi chuyển động của các nguyên tử và phân tử chấm dứt, và sự rối loạn — và entropi — của các chất được nén chặt hoàn hảo như vậy bằng không. (Entropy không ở nhiệt độ không tuân theo định luật thứ ba của nhiệt động lực học.) Tất cả các chất trên độ không tuyệt đối sẽ có giá trị entropy dương tăng theo nhiệt độ. Khi một vật nóng nguội đi, nhiệt năng mà nó mất đi sẽ truyền sang không khí xung quanh, nơi có nhiệt độ thấp hơn. Khi entropi của cơ thể làm mát giảm, entropi của không khí xung quanh tăng lên. Trên thực tế, sự gia tăng entropi của không khí lớn hơn sự giảm entropi của cơ thể làm mát. Điều này phù hợp với định luật thứ hai, nói rằng tổng entropy của một hệ thống và môi trường xung quanh nó luôn tăng trong một phản ứng tự phát. Do đó, định luật thứ nhất và thứ hai của nhiệt động lực học chỉ ra rằng, đối với tất cả các quá trình biến đổi hóa học trong vũ trụ, năng lượng được bảo toàn nhưng entropi tăng lên.

Ứng dụng của các định luật nhiệt động lực học vào các hệ thống hóa học cho phép các nhà hóa học dự đoán hành vi của các phản ứng hóa học. Khi cân nhắc về năng lượng và entropi có lợi cho sự hình thành các phân tử sản phẩm, các phân tử thuốc thử sẽ hoạt động để tạo thành sản phẩm cho đến khi thiết lập được trạng thái cân bằng giữa sản phẩm và thuốc thử. Tỷ lệ giữa sản phẩm và thuốc thử được xác định bằng một đại lượng được gọi là hằng số cân bằng, là hàm của sự chênh lệch năng lượng và entropi giữa hai chất. Tuy nhiên, điều mà nhiệt động lực học không thể đoán trước là tốc độ xảy ra các phản ứng hóa học. Đối với phản ứng nhanh, một hỗn hợp cân bằng của sản phẩm và thuốc thử có thể được thiết lập trong một phần nghìn giây hoặc ít hơn; đối với các phản ứng chậm, thời gian cần thiết có thể lên đến hàng trăm năm.

Khi tốc độ cụ thể của các phản ứng hóa học được đo bằng thực nghiệm, người ta thấy chúng phụ thuộc vào nồng độ của các loài phản ứng, nhiệt độ và một đại lượng gọi là năng lượng hoạt hóa. Các nhà hóa học giải thích hiện tượng này bằng cách dựa vào lý thuyết va chạm về tốc độ phản ứng. Lý thuyết này được xây dựng dựa trên tiền đề rằng một phản ứng giữa hai hoặc nhiều hóa chất đòi hỏi, ở cấp độ phân tử, sự va chạm giữa hai phân tử chuyển động nhanh. Nếu hai phân tử va chạm đúng phương và đủ động năng, một trong hai phân tử có thể thu được đủ năng lượng để bắt đầu quá trình phá vỡ liên kết. Khi điều này xảy ra, các liên kết mới có thể bắt đầu hình thành, và cuối cùng các phân tử thuốc thử được chuyển thành phân tử sản phẩm. Điểm có năng lượng cao nhất trong quá trình phá vỡ liên kết và hình thành liên kết được gọi là trạng thái chuyển tiếp của quá trình phân tử. Sự khác biệt giữa năng lượng của trạng thái chuyển tiếp và năng lượng của các phân tử phản ứng là năng lượng hoạt hóa phải vượt quá để phản ứng xảy ra. Tốc độ phản ứng tăng theo nhiệt độ vì các phân tử va chạm có năng lượng lớn hơn, và nhiều phân tử trong số chúng sẽ có năng lượng vượt quá năng lượng hoạt hóa của phản ứng. Nghiên cứu hiện đại về cơ sở phân tử của sự thay đổi hóa học đã được hỗ trợ rất nhiều bởi laser và máy tính. Hiện nay người ta có thể nghiên cứu các sản phẩm va chạm tồn tại trong thời gian ngắn và xác định rõ hơn các cơ chế phân tử cố định tốc độ phản ứng hóa học. Kiến thức này rất hữu ích trong việc thiết kế các chất xúc tác mới có thể đẩy nhanh tốc độ phản ứng bằng cách giảm năng lượng hoạt hóa. Chất xúc tác rất quan trọng đối với nhiều quá trình sinh hóa và công nghiệp vì chúng tăng tốc độ các phản ứng thường xảy ra quá chậm để có ích. Hơn nữa, họ thường làm như vậy với việc tăng cường kiểm soát các đặc điểm cấu trúc của các phân tử sản phẩm. Ví dụ, chất xúc tác rhodium phosphine đã cho phép các nhà hóa học thu được 96% đồng phân quang học chính xác trong một bước quan trọng trong quá trình tổng hợp L-dopa, một loại thuốc được sử dụng để điều trị bệnh Parkinson.

Upvote bài viết này nếu muốn mình làm tiếp phần 3 nha!!

Các nguồn mình tham khảo:

Nguyên tử – Wikipedia tiếng Việt

Các bài viết cùng tác giả: