Nhân giải Nobel Hóa học 2005, nhìn lại...

Vietsciences-Nguyễn Trọng Cơ              06/11/2005

 
  • I/ Đại cương về Hóa hữu cơ
  • II/ Tầng năng lượng và sự phân bố electrons
  • III/ Nối hóa học (Chemical bonds)     
  • IV/ Phản ứng Hóa học, Chất Xúc tác và Sự Hoán vị (Metathesis)
  • V/ Chauvin, Grubbs, Schrock và vũ điệu biến thể
  • VI/ Nhìn lại những đóng góp ngày trước
  • VII/ Hướng về tương lai

 

Năm nay giải Nobel Hóa học được phát cho ba khoa học gia sau đây:

Yves Chauvin (1/3 giải), sinh năm 1930, quốc tịch Pháp, làm việc tại Institut Français du Pétrole Rueil-Malmaison, Pháp,

Robert H. Grubbs (1/3 giải) , sinh năm 1942, quốc tịch Mỹ, làm việc tại California Institute of Technology (Caltech), Pasadena, CA, Mỹ, và 

Richard R. Schrock (1/3 giải), sinh năm 1945, quốc tịch Mỹ, làm việc tại Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, MA, Mỹ.

Ngoài phẩn thưởng tinh thần cao quý, ba ông còn được tặng 10 triệu đồng Thụy Điển (Swedish Krona, SEK), khoảng 1.3 triệu Mỹ kim theo thời giá.

Theo Hàn lâm viện Khoa học Hoàng gia Thụy Điển, ba ông thắng giải vì đã có những đóng góp lớn lao trong “Sự phát triển phương pháp Hoán vị (đổi chỗ) ở sự Tổng hợp các chất Hữu cơ” (the development of the metathesis method in organic synthesis).

Để những độc giả không ở trong ngành Hóa có thể thưởng thức sự ngoạn mục và kỳ diệu của những hiện tượng hoá học, trong bài này người viết sẽ nhắc lại một số tính chất cơ bản của chất hữu cơ cùng các phản ứng tổng hợp, và sau đó nhìn lại một số đóng góp tiêu biểu trước đây của một số nhà hóa học.

 

I/ Đại cương về Hóa hữu cơ

Là một ngành của khoa học tự nhiên, Hóa học khảo sát thành phần, cơ cấu, đặc tính của vật chất cũng như những phản ứng giữa các chất này. Từ xưa người ta tin rằng những chất trích từ động vật hay thực vật như urê (urea), đường, dầu thảo mộc,... được thiên nhiên tạo ra nhờ một năng lực đặc biệt gọi là Sức sống (vital force). Do đó ngành hóa khảo sát những chất “có sức sống” này gọi là Hóa hữu cơ (organic chemistry), khác với ngành Hóa vô cơ (inorganic chemistry)  chỉ khảo sát những chất “không có sức sống” trích từ khoáng chất như đất, đá, kim loại,...

Nhưng vào năm 1828 một thí nghiệm của hóa học gia người Đức tên Friedrich Wöhler đã làm thay đổi quan niệm trên. Ông đã có thể tạo ra urê, một chất hữu cơ, bằng cách đun nóng ammonium cyanate, một chất vô cơ. Sau đó nhiều thí nghiệm khác cũng cho thấy là có thể tạo ra hợp chất hữu cơ từ những chất vô cơ. Như vậy ý niệm về “vital force” ở chất hữu cơ không còn giá trị nữa. Ngoài ra người ta còn thấy là những hợp chất chứa Carbon (C) giữ một vai trò quan trọng trong hầu hết các cơ cấu căn bản của đời sống sinh vật. Do đó các khoa học gia đã đồng ý về một định nghĩa mới cho Hóa hữu cơ: ngành hoá chuyên khảo sát những hợp chất chứa Carbon.

Trên trái đất tuy có hàng triệu triệu loại vật chất (substance) khác nhau nhưng chúng chỉ là sự kết hợp của khoảng trên 100 loại chất căn bản gọi là Nguyên tố (elements) như Hydrogen (H), Oxygen (O), Carbon (C),... Phần nhỏ nhất của một nguyên tố không mang điện (trung tính) mà vẫn có đầy đủ tính chất của nguyên tố gọi là Nguyên tử (atom). Từ thời trung học ta đã biết cơ cấu nguyên tử, vốn có  nhân ở giữa chứa proton (mang điện dương) và cũng có thể có neutron (trung tính). Quay quanh nhân là những electron mang điện âm. Sau này nguời ta còn tìm ra là proton và neutron do các quark tạo thành (1).

Vì khối lượng của proton và neutron gần bằng nhau và electron rất nhẹ so với hai hạt này nên Khối lượng nguyên tử (atomic mass, ký hiệu M) phần lớn phụ thuộc vào số proton và neutron. Thí dụ như nhân nguyên tử carbon (C) thường có 6 proton và 6 neutron nên  khối lượng nguyên tử của carbon là 12. Vì có 6 proton nghĩa là 6 đơn vị điện tích dương, và để có thể ở trạng thái trung tính, carbon phải có 6 đơn vị điện tích âm, nghĩa là 6 electron.  Số proton hay số electron (khi nguyên tử ở trạng thái trung tính) được gọi là Nguyên tử số (atomic number, ký hiệu Z). Để có thể thấy ngay số proton và số neutron  của nguyên tố carbon người ta thường viết  MZC = 126C. Bên cạnh loại carbon trên người ta còn thấy những loại carbon có thể có 7 hoặc 8 neutron nên khối lượng nguyên tử có thể là 13 hoặc 14, và có ký hiệu  136C, 146C (2). Đây là những chất Đồng vị (isotope) của carbon.

Tính năng động của các electron giữ vai trò quan trọng trong sự liên kết những nguyên tử của các nguyên tố để tạo ra những Phân tử (molecules), phần nhỏ nhất của chất mới được tạo thành. Nếu những chất mới được cấu tạo bởi hai nguyên tố trở lên thì chúng được gọi là Hợp chất (compound). Thí dụ như nước (H2 O), carbon dioxide (CO2 ) là những hợp chất. Còn nếu chúng chỉ cấu tạo bởi một nguyên tố thì được gọi là Đơn chất. Đây là trường hợp khí hydrogen (H2), sodium (Na),...

Trong phần sau ta sẽ bàn về sự phân bố các electron quanh nhân nguyên tử và sự trao đổi electron giữa các nguyên tử để tạo những Nối (bond) trong phân tử.

 

II/ Tầng năng lượng và sự phân bố electrons

Từ lâu người ta đã biết là electron chuyển động quanh nhân trên những quỹ đạo riêng biệt và có một năng lượng nhất định khi ở trên mỗi quỹ đạo. Ở quỹ đạo càng gần nhân, năng lượng của electron càng thấp và khi càng xa nhân năng lượng càng cao.  Những electron ở tầng ngoài cùng của các nguyên tử thường có khả năng trao đổi hoặc kết hợp với nhau để tạo những lực liên kết trong phân tử của hợp chất hoặc đơn chất. Đó là những nối hóa học (chemical bonds).  Những electron tham gia vào các nối hoá học thường được gọi là electron Hóa trị (valence electrons).

Các lý thuyết mới trong vật lý như thuyết Cơ học lượng tử (quantum mechanics), Cơ học ba động (wave mechanics),... (1) đã cho ta một khái niệm khá rõ ràng về hoạt động của các electron. Vì các electron chuyển động rất nhanh quanh nhân nên để mô tả mức năng lượng và khả năng hiện diện trong không gian (high-probability regions of its spacial distribution) của electron nguời ta dùng 4 số lượng tử:

n (số lượng tử chính, principal quantum number),

l (số lượng tử thuộc động lượng quay, angular momentum quantum number),

m (số lượng tử từ, magnetic quantum number), và

s (số lượng tử spin, spin quantum number) (3). 

Ba số lượng tử n, l, m xác định mức năng lượng của electron còn s thường được coi như có liên hệ đến hướng quay của electron.

Với những trị số cho sẵn của n, l, m,  Xác suất Phân bố (probability distribution) để tìm vị trí của electron trong khoảng không gian quanh nhân được mô tả trong những Vân đạo Nguyên tử  (atomic orbital, AO) (4).

Từ bốn số lượng tử, vân đạo nguyên tử, và một số nguyên tắc (5), ta có thể tìm ra sự Sắp xếp electron/điện tử (electronic configuration) của mỗi nguyên tử. Sự sắp xếp này thường được viết 

dưới dạng  n l x , trong đó n, l là hai số lượng tử kể ở trên và x là số electron trên mỗi vân đạo.

Do kết quả trên ta có thể tìm ra những electron hoá trị (6) để sẵn sàng khảo sát sự tạo nối hóa học.

 

III/ Nối hóa học (Chemical bonds)     

Ở phần trên ta đã biết được vị trí của các electron hoá trị. Bây giờ ta hãy tìm hiểu xem dựa vào quy tắc nào các electrons hoá trị của những nguyên tử có thể liên kết với nhau để tạo nối.  

Từ lâu khi quan sát những khí trơ (noble/inert gas) như neon, argon (6), vốn là những khí không thể kết hợp với chất khác, người ta thấy rằng sự sắp xếp electron ở tầng ngoài thường có dạng ns2np6 (8 electron), một trạng thái rất ổn định. Do đó các hoá học gia Lewis và Langmuir  (7) đã đưa ra quy tắc Bát bộ (octet): “Để có một trạng thái electron ổn định giống khí trơ, các nguyên tử có khuynh hướng nhận, cho, hay chia sẻ các electron để tầng ngoài cùng có thể có hoặc góp phần vào 4 cặp electron  (bát bộ).”

Quy tắc bát bộ có những ngoại lệ. Thí dụ như với hydrogen và helium, số electron tối đa là 2 thay vì 8; với phosphorus (P) số này là 10; với sulfur (S) số này có thể là 12,...          

Lưu ý là nguyên tử ban đầu ở trạng thái trung tính. Nếu nhận thêm electron nguyên tử sẽ mang điện âm và được gọi là ion âm. Nếu cho đi electron nguyên tử sẽ trở thành ion dương.

Trong trường hợp những nguyên tử chia sẻ electron thì những hạt này không dời xa, chỉ chuyển động gần đó để tạo một vùng có mật độ electron cao (high density electron) quanh các nguyên tử tham dự.

Cho tới nay người ta đồng ý là có ba loại nối: nối Kim loại (metallic bonds), nối Ion (ionic bonds) và nối Cộng hóa trị (covalent bonds) (8), (9).

Như vậy nhờ sự tạo nối, các phân tử (molecules) được thành hình. Dựa vào lý thuyết vân đạo nguyên tử, để khảo sát tính chất của electron trong phân tử, các khoa học gia đã xây dựng lý thuyết Vân đạo phân tử (molecular orbitals, MO) (10).

Do kết quả của những khảo cứu liên tục trong lý thuyết và thực nghiệm, ngày nay các hóa học gia đã hiểu khá cặn kẽ các nối trong phân tử (11) và các điều kiện làm thay đổi các nối này. Từ đó họ có thể giữ vai trò chủ động trong các phản ứng hóa học mà ta sẽ bàn đến ở phần sau.  

 

IV/ Phản ứng Hóa học, Chất Xúc tác và Sự Hoán vị (Metathesis)

Một cách đại cương, phản ứng hóa học là sự thay đổi cách sắp xếp của nguyên tử hay phân tử để tạo những chất có thành phần và đặc tính khác với chất ban đầu.  Từ lâu người ta biết rằng nhiệt độ, áp suất, nồng độ (concentration) của hóa chất,... ảnh hưởng rất nhiều vào vận tốc của phản ứng hóa học.  Chính những yếu tố này đã mang vào năng lượng để làm thay đổi các nối hóa học qua ý niệm Năng lượng kích hoạt (activation energy) (12). Tuy nhiên không phải lúc nào ta cũng có thể thay đổi dễ dàng các yếu tố trên, do đó các hóa học gia phải nghĩ đến một giải pháp khác: dùng chất xúc tác (catalyst).    

Chất xúc tác là một chất trung gian, có thể làm tăng vận tốc của phản ứng hóa học mà không bị tiêu thụ. Chúng đã làm hạ năng lượng kích hoạt nên có thể làm phản ứng tiến hành nhanh hơn hay xẩy ra ở nhiệt độ thấp hơn. Một thí dụ ngoạn mục của chất xúc tác là chất carbonic anhydrase, một loại enzyme (protein). Một phân tử chất này có thể làm tăng vận tốc của phản ứng kết hợp giữa CO2 và nước trong cơ thể con người lên đến 600,000 phân tử CO2 mỗi giây. Khi nhận ra sự quan trọng của những chất trung gian này, từ lâu các khoa học gia đã ráo riết tìm kiếm những chất xúc tác thích hợp cho từng loại phản ứng hóa học, nhất là trong phản ứng tổng hợp hữu cơ.

Trong thập niên 1950s, với sự thành công trong phản ứng Trùng hợp (polymerization) của ethylene,  Ziegler (đoạt giải Nobel hóa học 1963) đã mở đầu một loại phản ứng rất quan trọng trong kỹ nghệ chất dẻo và dược phẩm: Phản ứng Hoán vị/Đổi chỗ nhờ Xúc tác (catalyzed metathesis; meta: change,  thesis: position).  Đây là phản ứng trong đó các nối đôi (9), (10), (11), bị bẻ gẫy và tái tạo để từ đó các nhóm nguyên tử có thể đổi chỗ cho nhau nhờ chất xúc tác thích hợp.  Các dây carbon có nối đôi thuộc họ alkene thường được gọi là olefin. Do đó các phản ứng trên thường được gọi là phản ứng hoán vị olefin (olefin metathesis).

Thí dụ như trong phản ứng dưới đây của hai olefin AB và CD, B và C đổi chỗ cho nhau để tạo hai olefin mới AC và BD:

                                          AB  +   CD    ---->   AC   +   BD

Biết rằng chất xúc tác thường là những kim loại, cho đến năm 1970 nhiều phản ứng tổng hợp tạo những hợp chất hữu dụng quan trọng đã được công bố và được cấp bằng sáng chế.

Tuy nhiên, vì phản ứng quá phức tạp, cơ chế hoạt động của chất xúc tác ở mức phân tử vẫn là điều bí mật. Do đó việc chọn một chất xúc tác thích hợp cho mỗi phản ứng tổng hợp vẫn là một hành động cầu may. 

Trong số những hóa học gia ráo riết tìm tòi, nhóm của Yves Chauvin, người đoạt 1/3 giải Nobel hóa học năm nay, đã đưa ra lời giải thích thỏa đáng.  

 

V/ Chauvin, Grubbs, Schrock và vũ điệu biến thể

Chauvin và Jean-Louis Hérrison, một học trò của ông đã đề nghị một loại xúc tác đặc biệt có tên Carben kim loại (metal carbene hay metal alkylide; một hợp chất trong đó kim loại gắn với một carbon có nối đôi, thí dụ =CH2). Mặc dầu carben kim loại đã được khám phá trước đó mấy năm bởi khoa học gia E.O. Fischer (đoạt giải Nobel hóa học 1973) nhưng Chauvin là người đầu tiên đưa ra chi tiết cơ chế của phản ứng giữa chất xúc tác và các olefin.  Thí dụ đơn giản dưới dưới đây minh họa cơ chế của Chauvin.

Giả thử hai olefin   R-CH=CH2 có phản ứng hoán vị:

                                                   chất xúc tác: M=CH2  (M: kim loại)

                   R-CH=CH2   +   R-CH=CH2   ------->  R-CH=CH-R   +   CH2=CH2 

Ta thấy nhóm R của một phân tử olefin đã đổi chỗ với H của phân tử kia để tạo hai chất mới.

Chauvin cho rằng phản ứng trên gồm hai giai đoạn. Thứ nhất, chất xúc tác M=CH2 đến gần một olefin, R-CH=CH2,  mở nối đôi để tạo một vòng nối đơn gồm 3 C và một M. Sau đó cắt vòng để tái tạo nối đôi. Ngay khi đó M đổi chỗ để tạo nối với R-CH thành M=CH-R, và CH2 tạo nối với CH2 để thành CH2=CH2 như dưới đây:  

                    R-CH=CH2  +  M=CH2    ----->       M=CH-R   +   CH2=CH2       (a) 

Trong giai đoạn hai M=CH-R làm việc tương tự với olefin thứ hai, R-CH=CH2 , hầu đổi chỗ để tạo nối với CH2 để trở lại thành M=CH2 như lúc ban đầu. Dĩ nhiên hai nhóm CH-R liên kết với nhau để trở thành  R-CH=CH-R.             

                    R-CH=CH2   +  M=CH-R    ----->       M=CH2   +   R-CH=CH-R   (b)   

 

Grubbs và Schrock cùng số hóa học gia khác đã kiểm chứng thực nghiệm và công nhận tính xác thực của cách giải thích trên.

Nếu ta coi việc tổng hợp các chất hữu cơ là công việc nấu nướng thì công trình của Chauvin được ví như bản chỉ cách nấu (recipe). Từ đây các nhà hóa học, giống như các bà nội trợ tha hồ dùng trí sáng tạo để nấu những món ăn mới mà không lo bị hư. Cơ chế của Chauvin còn gợi ra một hình ảnh rất bay bướm. Các olefin được coi như những cặp vũ công mà nối đôi là những cánh tay luôn xiết chặt trong một vũ điệu cặp đôi. Chất xúc tác cũng là một cặp vũ công, trong đó M (kim loại) là một vũ công điêu luyện. M có khả năng  biến vũ điệu đôi thành cặp bốn, sau đó lại trở lại cặp đôi đồng thời thay đổi người bạn nhẩy.  Sau hai lần biến thể các cặp đã thay đổi người bạn nhẩy (olefin có phản ứng hoán vị). Riêng M thì tìm được người bạn nhẩy giống hệt người trước (chất xúc tác không đổi). 

 

Grubbs, vốn đã để ý đến phản ứng hoán vị từ lâu, từ thập niên 1980 cùng các cộng sự đã tìm ra một số chất xúc tác quan trọng lấy từ những hợp chất của ruthenium. Nhóm của ông đã làm việc liên tục để cải tiến sự hữu hiệu của các chất này. Cho đến năm 1992 nhóm ông đã công bố một loại xúc tác ở mức phân tử không những tiện dụng trong một số phản ứng trùng hợp đặc biệt mà còn ổn định trong dung môi chứa H+ (protic solvent). Những chất xúc tác của nhóm Grubbs có thể được dùng với những kỹ thuật hữu cơ tiêu chuẩn và trong nhiều nhóm hóa chất khác nhau. Do đó khi được đưa ra thị trường năm 1995, chất xúc tác thuộc thế hệ thứ nhất của Grubbs (first-generation Grubbs catalyst) được các hóa học gia nhiệt liệt ủng hộ. Năm 1999, nhóm ông đã đưa ra nhóm xúc tác thuộc thế hệ thứ hai, hữu hiệu, ổn định và có tầm hoạt động rộng hơn.

Schrock, trong những năm làm việc với hãng Du Pont và sau đó tại MIT, đã có những đóng góp rất lớn trong ngành tổng hợp hoán vị.  Ông và những cộng sự viên đã tìm ra nhiều loại chất xúc tác, trong đó có những chất thuộc họ kim loại molybdenum và tungsten.  Năm 1990, những chất xúc tác của nhóm ông, vốn tác dụng ở mức phân tử, không cần chất phụ (additives) được coi là vô cùng hữu hiệu và đã được đặc biệt chú ý trong kỹ nghệ.  Schrock cũng nghiên cứu chất xúc tác tạo sự đối xứng bàn tay (chiral catalyst) trong những phản ứng hoán vị bất đối xứng (13).

 

VI/ Nhìn lại những đóng góp ngày trước

Trong số những hóa học gia đã đóng góp vào ngành tổng hợp hữu cơ dùng xúc tác kim loại trước hết ta phải kể đến V. Grignard (1871-1935) và P. Sabatier  (1854-1941), hai khoa học gia người Pháp. Grignard làm việc tại đại học Nancy và Sabatier ở đại học Toulouse đã cùng đoạt giải Nobel hóa học 1912.  Grignard nổi tiếng với những Thuốc thử Gignard (Grignard reagents), có công thức tổng quát R-Mg-X. Trong đó R là dây carbon, Mg là magnesium và X có thể là Cl (Chlorine), Br (Bromine), hay I (iodine). Thuốc thử Gignard rất hữu hiệu trong những phản ứng cộng của một số chất hữu cơ có nối đôi.  Còn Sabatier thì đã tiên phong đưa ra một phương pháp Khử (reduction; giảm số oxid hóa) các hợp chất hữu cơ dùng xúc tác kim loại. Phương pháp của ông không những đơn giản, hữu hiệu mà còn mở đường cho nhiều công trình khảo cứu sau này.

Kế đến phải kể hai hóa học gia người Đức O. Diels (1876-1954; làm việc tại đại học Kiel) và K. Alder (1902-1958; làm việc tại đại học Cologne) mà phản ứng Diels-Alder đã được nhắc đến trong hầu hết sách giáo khoa hoá học hữu cơ. Hai ông đã đoạt giải Nobel hóa học 1950 vì những đóng góp lớn lao trong việc khảo cứu các phản ứng của những hợp chất có nối đa, đặc biệt là trong phương pháp tạo vòng 6 carbon từ những diene (dây 4 carbon có nối đơn ở giữa và hai nối đôi hai bên).  

Vì hầu hết những chất hữu cơ quan trọng có chứa carbon mang nối đôi nên những phản ứng tổng hợp liên hệ được ráo riết khảo cứu. Trong lãnh vực này, giải Nobel hóa học 1979 được phát cho hai ông H. Brown (1912-2004; quốc tịch Mỹ) và G. Wittig (1897-1987; quốc tịch Đức). Brown làm việc tại đại học Purdue, Mỹ, đã có công tìm ra một loại thuốc thử được coi là rất đa hiệu mang tên sodium boro-hydride (NaBH4), có khả năng tạo phản ứng khử trên những hợp chất carbonyl (chứa C=O). Ngoài ra ông cũng đã tổng hợp được một loại thuốc thử hữu cơ hoàn toàn mới, chất organoboranes, được coi là vô cùng hữu hiệu. Còn Wittig thì làm việc tại đại học Heidelberg, Đức.  Ông đã đi vào lịch sử hóa học với một phản ứng quan trọng mang tên ông. Trong đó ông dùng hợp chất carbon chứa phosphorus (P) tác dụng với nhóm carbonyl để tạo alkene (dây carbon có nối đôi).   

Cũng trong lãnh vực tổng hợp với xúc tác, nhưng đặc biệt với những phản ứng tạo những chất có tính đối xứng bàn tay (13) từ những hợp chất có nối đôi, giải Nobel hóa học 2001 được phát cho ba khoa học gia: W. Knowles (sinh năm 1917, quốc tịch Mỹ, ngụ tại St. Louis, MO, Mỹ), R. Noyori (sinh năm 1938, quốc tịch Nhật, làm việc tại Nagoya University, Nhật), và K. Sharpless (sinh năm 1941, làm việc tại The Scripps Research Institute, Mỹ). Knowles và Noyori khảo sát những phản ứng Hydrogen hóa (hydrogenation) còn Sharpless thành công trong những phản ứng Oxid hoá (oxidation).

Còn nhiều nữa, thí dụ như K. Ziegler (1898-1973) và G. Natta (1903-1979), đoạt giải Nobel hóa học 1963; E. Fischer (sinh năm 1918) và G. Wilkinson (1921-1996) chia giải Nobel hóa học 1973,...

 

VII/ Hướng về tương lai

Từ lâu ai cũng biết kỹ nghệ hóa học có ảnh hưởng đến hầu hết mọi ngành hoạt động trong xã hội: thực phẩm, xây dựng, vận chuyển, y tế, môi trường,...Ngoài ra, ai cũng thấy sự nguy hiểm của các hóa chất nếu chúng không được sử dụng đúng mức và kiểm soát kỹ càng: từ sự ô nhiễm môi sinh do chất thải cho đến phản ứng phụ (side effect) của dược phẩm trên con nguời. Phản ứng hoán vị vốn được dùng hàng ngày trong kỹ nghệ chất dẻo và dược phẩm, nên được quan tâm đặc biệt. Theo Ủy ban tuyển chọn, các hóa học gia thắng giải năm nay đã có công làm phương pháp tổng hợp hữu hiệu hơn do tính đơn giản, không dùng nhiều nguyên liệu, và tạo ít chất thải. Hơn nữa phương pháp của họ rất tiện dụng vì phản ứng có thể ổn định trong không khí với nhiệt độ và áp suất bình thường. Đặc biệt các phản ứng này không làm hại môi trường vì không dùng dung môi nguy hiểm và không tạo chất thải độc hại.

Để có thể phục vụ con người, xã hội và môi sinh nhiều hơn các chuyên viên trong ngành hóa sẽ phải tiếp tục làm việc một cách nghiêm túc, thật khách quan và vô cùng sáng tạo. Hy vọng hình ảnh của vũ điệu biến thể ở trên là nguồn cảm hứng để họ sáng tác ra những “điệu nhẩy” mới.

                                                                        ***

(1) Xem “Giải Nobel Vật lý 2004 và Kiểu mẫu Tiêu chuẩn” của cùng tác giả. 

 

(2) Trong khi các carbon-12 (12C) và carbon-13 (13C) ổn định thì carbon-14 (14C) có tính phóng xạ và có bán-sinh (half-life, thời gian để nửa số nhân bị phân rã) khoảng 5730 năm. Do đó carbon-14 được dùng để định tuổi các mẫu hữu cơ đã chết trước đây (có thể đến 50,000 năm). Nguyên tắc rất đơn giản: môi trường quanh ta, đặc biệt là không khí, có một lượng nhất định carbon-14 (cứ khoảng 1000 tỷ nguyên tử carbon-12  thì có 1 nguyên tử carbon-14) vì  vũ trụ tuyến thường xuyên tác động trên nitrogen-14 để tạo thành carbon-14 hầu bù vào lượng carbon-14 đang bị phân rã. Từ  đó khi một chất hữu cơ còn sống, mặc dù có sự phân rã của carbon-14 bên trong, khi sinh hoạt  được môi trường bên ngoài cung cấp carbon-14 để có một lượng ổn định chất này. Nhưng khi chất hữu cơ chết đi, không sinh hoạt nữa, lượng carbon-14 phân rã không được thay thế do đó càng lâu lượng carbon-14 trong chất này càng giảm dần. Biết được bán-sinh và biết lượng giảm của carbon-14 ta có thể suy ra năm nào chất này không còn sống nữa.   

 

 (3) n có thể có những trị số nguyên dương từ 1 đế vô hạn. Với nguyên tử ở trạng thái cơ bản (ground-state), trị số lớn nhất của n là 7.

l có thể có trị số nguyên từ 0 đến n-1. Thí dụ như nếu n=4 thì l có thể là 0, 1, 2, và 3.

Trị số của m phụ thuộc vào l và là:  –l, -(l-1), ..., 0, ..., (l-1), l. Thí dụ như nếu l=3, m sẽ là: -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3.

s (hay còn gọi là ms) có thể bằng  ½ hoặc -½.   

 

(4) Những vân đạo nguyên tử này có hình dạng khác nhau và có tên được viết dưới dạng n l  trong đó n là số luợng tử chính, l  là số lượng tử thuộc động lượng quay. Những trị số của l được đại diện bởi những mẫu tự: s (sharp; l=0), p (principal; l=1), d (diffuse; l=2), và f (fundamental; l=3).

Thí dụ: với n = 1  thì l = 0 và m = 0. Vì m chỉ có một trị số, ta chỉ có một vân đạo 1s  hình cầu. Khi

 n = 2, thì  l = 0, 1. Trường hợp l = 0 thì m = 0, ta có một vân đạo 2s hình cầu. Khi l = 1 thì m = -1, 0, 1. Vì m có 3 trị số, ta có ba vân đạo 2p có dạng là những khối thon,...

 

(5) Ba quy tắc mà sự sắp xếp electron của mỗi nguyên tử tuân theo là:

     a) Quy  tắc Aufbau: Một cách tổng quát các electron sẽ lấp đầy các vân đạo nguyên tử

         trống ở tầng năng lượng thấp nhất trước rồi mới vào các vân đạo ở tầng năng lượng cao

         hơn.

         (Aufbau từ tiếng Đức có nghĩa là xây dựng lên [building-up])

     b) Quy tắc Hund: Trong những vân đạo nguyên tử có cùng mức năng lượng (equal-energy    

         orbitals) mỗi vân đạo sẽ được chiếm bởi một electron trước rồi sau đó những electron có 

         spin trái dấu mới được đưa vào. Thí dụ như mỗi trong ba vân đạo 2p (2px , 2py  , và 2pz )

         giữ một electron trước rồi mới nhận electron thứ hai.

         (Friedrich Hund [1896 – 1997] là vật lý gia người Đức)ức)ức)ức)ức)ức)ức)ức)ức)ức)

     c) Quy tắc ngoại trừ Pauli (Pauli exclusion principle) : Không thể có hai electron có cùng

         bốn số lượng tử (n, l, m , s).

         (Wolfgang Pauli [1900 – 1958], vật lý gia Mỹ gốc Áo, đoạt giải Nobel Vật lý 1945)    

 

(6) Thí dụ: Nguyên tử hydrogen (H) có 1 electron (Z = 1), và có sự sắp xếp: 1s1

             Nguyên tử carbon (C) có 6 electron (Z = 6), được sắp xếp: 1s22s22p2

             Nguyên tử nitrogen (N) có 7 electron (Z = 7) nên có sự sắp xếp: 1s22s22p3

             Nguyên tử oxygen (O) có 8 electron (Z = 8), và sự sắp xếp là: 1s22s22p4

             Nguyên tử neon (Ne) có 10 electron (Z = 10), được sắp xếp: 1s22s22p6

             Nguyên tử sodium (Na) có 11 electron (Z = 11), được sắp xếp: 1s22s22p63s1

             Nguyên tử chlorine (Cl) có 17 electron (Z = 17), nên có sự sắp xếp: 1s22s22p63s23p5

             Nguyên tử argon (Ar) có 18 electron (Z = 18), và có sự sắp xếp: 1s22s22p63s23p6

              ...

Trong thí dụ trên các electron hoá trị, vốn ở tầng ngoài, có năng lượng cao nên nằm ở phía bên mặt của sự sắp xếp.

 

(7) Gilbert Newton Lewis (1875 – 1946) và Irving Langmuir (1881 – 1957) là hai hóa học gia người Mỹ. Langmuir được giải Nobel hóa học năm 1932.

 

(8) Trong những kim loại và hợp kim các nguyên tử  thường dễ cho đi electron và trở thành ion dương. Do đó trong mạng kim loại ta thấy có những ion dương bao quanh bởi những electron chuyển động tự do. Đặc tính của nối kim loại được biểu thị bởi lực tĩnh điện giữa các ion dương và những electron tự do này.  Chính nhờ những electron tự do mà kim loại hay hợp kim có tính dẫn nhiệt và dẫn điện.

Nối ion xẩy ra giữa một nguyên tử dễ cho electron và một nguyên tử thích nhận electron. Sau khi cho và nhận chúng trở thành ion dương và ion âm, liên kết bởi lực tĩnh điện. Thí dụ như nguyên tử Na có sự sắp xếp electron 1s22s22p63s1  (6) dễ mất một electron để tầng 2s và 2p  có 8 electron (octet) và trở thành Na+. Nguyên tử Cl với sắp xếp 1s22s22p63s23p5  (6) dễ nhận một electron để tầng 3s và 3p có bát bộ, và trở thành Cl- . Như vậy Na và Cl có khả năng tạo nối ion.

Khi nào có nối cộng hóa trị?

Đây là trường hợp các nguyên tử không muốn cho hay nhận electron mà chỉ muốn góp phần hay chia sẻ.

 

    H     Thí dụ như trong chất methane (CH4), nguyên tử C có sắp xếp electron        

    |     1s22s22p2 (6)  dùng 4 eletron ở tầng 2s và 2p để góp phần với 4 electron

  H-C-H   của 4 nguyên tử hydrogen (có sắp xếp 1s1) để tạo 4 nối cộng hoá trị. Mỗi nối là  

    |     một cặp electron hóa trị do sự đóng góp của mỗi bên. Với 4 nối này C đã tham 

    H     gia một bát bộ (ổn định), và mỗi H đã chia sẻ một nối có 2 electron, một trạng thái ổn

                    định của H (9).

 

(9) Những nối giống như nối trong methane, ở đó mỗi nguyên tử đóng góp một electron vào nối được gọi là nối Cộng hoá trị đơn (single covalent bond). Có trường hợp hai nguyên tử có thể cùng đóng góp 2 hay 3 electron để tạo 2 hay 3 nối cùng một lúc. Đó là nối Cộng hóa trị đa (multiple covalent bond). Thí dụ như trong chất ethylene mỗi nguyên tử  C dùng 2 electron để tạo hai nối cộng hóa trị đơn với 2 H và dùng 2 electron còn lại để tạo nối Đôi giữa hai C (H2C = CH2). Trong chất acetylene mỗi nguyên tử C dùng một electron để tạo một nối cộng hóa trị đơn với một H và dùng 3 electron còn lại để tạo nối Ba giữa hai C (H-C ≡ C-H).

Một loại nối khác gọi là Cộng hóa trị phối hợp (coordinate covalent bond) trong đó cặp electron của nối thay vì được đóng góp đồng đều bởi hai nguyên tử tạo nối thì lại được “tặng” bởi một nguyên tử. Ion NH4+ là một thí dụ của nối này. Nguyên tử N, vốn có 5 electron hóa trị (6), ban đầu đã  dùng 3 electron để tạo 3 nối đơn với 3 H  và  tạo chất ammonium (NH3) ổn định. Thật vậy, ở đây N đã có 3 cặp electron  nối và một cặp electron còn dư, nên được coi như là đã có sắp xếp bát bộ. Điều thú vị là khi gặp ion H+, ammonium lại có thể tạo nối. Lưu ý là H chỉ có một electron. Khi mất một electron để trở thành H+ thì không còn electron để góp vào nối nữa. N đã “đại lượng” dùng cặp electron của riêng mình để tạo nối với H+ . Từ đó ion NH4+ thành hình.

  

(10) Theo thuyết này, khi tạo nối, các vân đạo nguyên tử (atomic orbitals, AO) của những nguyên tử  đã  kết hợp hay trùng lắp (overlap) để tạo nên các vân đạo phân tử (MO). Số MO được tạo thành bằng với số AO tham dự.  Mức năng lượng của eletron trên MO được gọi tên giống như trên AO và tuân theo cùng quy tắc ở (5). Khi hai AO trùng lắp theo trục thì chúng tạo thành Vân đạo phân tử sigma (sigma molecular orbital, σ  MO). Nếu chúng trùng lặp song song (parallel) thì sinh ra Vân đạo phân tử pi (pi molecular orbital, π  MO). Có hai loại MO  ở mức năng lượng khác nhau gọi là  Vân đạo nối (bonding orbital) và Vân đạo phản nối (antibonding orbital), tên được viết với dấu  *. Thí dụ vân đạo phản nối của vân đạo nối σ  là  σ*  . Tương tự ta có π  và  π*.     

Ngoài ra trước khi tạo nối các AO trong mỗi nguyên tử có thể tương tác để tạo ra những Vân đạo lai (hybrid orbital). Thí dụ: một vân đạo s và một vân đạo p có thể tạo ra 2 vân đạo lai sp. Một vân đạo s và 2 vân đạo p tạo nên 3 vân đạo lai sp2. Một vân đạo s và 3 vân đạo p tạo nên 4 vân đạo lai sp3,...

 

(11) Trong phân tử methane CH4  bốn nối giữa C và H được được sinh ra do 4 vân đạo lai sp3 của C. Các vân đạo lai này tạo 4 nối σ  với 4 vân  đạo s của mỗi H. Cơ cấu không gian của phân tử có dạng một tứ diện đều (tetrahedron) trong đó 4 H ở 4 đỉnh và C ở tâm. Từ đó góc giữa hai nối được tính ra là 109.5 độ. Chiều dài mỗi nối khoảng 110 pm (picometer = 10-12 m).

Trong phân tử ethylene, H2C = CH2 , mỗi C có 3 vân đạo lai sp2 và dùng 2 trong số này để tạo 2 nối σ với hai H. Vân đạo lai thứ ba được dùng để tạo nối σ  giữa hai C. Nối thứ hai giữa hai C là nối π sinh ra từ hai vân đạo p. Vì nối π  đòi hỏi sự trùng lắp song song nên phân tử ethylene phải có cơ cấu phẳng. Góc giữa hai nối khoảng 120 độ. Từ đó ta thấy là nối đôi của ethylene gồm hai loại nối không giống nhau.  Do sự vững vàng của nối đôi, hợp chất chứa nối này có thể có những dạng Đồng phân (isomers) cis-, trans-(13).  

Ngoài ra vì nối đa dễ bị bẻ để tạo phản ứng cộng và trở thành nối đơn, các hợp chất chứa nối đa thường đựơc gọi là Chưa bão hòa (unsaturated).

 

(12) Năng lượng kích hoạt là năng lượng khởi đầu (threshold energy) phải vượt qua để phản ứng hóa học có thể bắt đầu. Một cách đơn giản, đây là động năng cần thiết để các phân tử, trong khi va chạm nhau, có thể vượt qua sức đẩy của các đám mây electron (electron clouds) bao quanh để tạo nối.

 

(13) Từ Chiral do chữ Hy lạp “cheir” có nghĩa là bàn tay (hand).  Hai bàn tay của chúng ta có tính chiral (đối xứng bàn tay): bàn tay mặt là ảnh của bàn tay trái qua gương. Chúng tuy giống nhau nhưng không có cùng cơ cấu không gian (tay phải không thể cho vừa vào bao tay trái). Hai  chất chiral, một dạng có tên R (rectus), dạng kia có tên S (sinister), tuy có cùng công thức hoá học (được gọi là những chất Đồng phân; isomers) nhưng có thể có hoá tính vô cùng khác nhau. Một dạng có thể rất hữu ích, dạng kia có thể rất độc hại! Người đầu tiên tìm ra  tính chiral là Louis Pasteur (1822-1895) khi thấy chúng làm quay ánh sáng Phân cực (polarized  light) theo chiều ngược nhau. Những phản ứng hóa học tạo ra chất chiral gọi là phản ứng bất đối xứng (asymmetric).

Trong số những chất đồng phân có cơ cấu không gian khác nhau (stereoisomers), có những chất không thuộc loại chiral, mà chỉ khác nhau ở sắp xếp hình học trong không gian. Chúng được  gọi là diastereomers. Nếu hai nhóm nguyên tử của phân tử ở cùng bên một trục hay một mặt phẳng thì chúng được coi như có dạng cis- hay Z (từ chữ Đức Zusammen; cùng bên). Nếu ở khác bên, chúng được gọi là trans- hay E (Entgegen; đối nhau).

 

                                                 Tài liệu tham khảo

 

Magazines: Chemical & Engineering News, Sept 2005; Functional Foods & Nutraceuticals, Oct 2005; Pharmaceutical Technology, Sept 2005.

The Royal Swedish Academy of Sciences’ Website.

Wade, L.G. Jr., Organic Chemistry, Prentice Hall, Inc., 1995.

Zumdahl, S. S., Chemical Principles, D.C. Heath and Company, 1995.

                                                            Sherman Oaks, tháng 10 năm 2005

                                                                    Nguyễn Trọng Cơ

 

 

© http://vietsciences.free.fr  và http://vietsciences.net  Nguyễn Trọng Cơ