mở đầu và cũng là tiêu chuẩn để đánh giá giá trị của các định luật và thuyết. Do đó, chúng ta sẽ bàn chi tiết hơn về quan sát: quan sát được tiến hành nhờ các giác quan của con người và các dụng cụ hoặc máy móc mà con người tạo ra để nối dài giác quan của mình. Một số dụng cụ đơn giản nhất để quan sát mà chúng ta đều biết là thước để đo độ dài, ống đong để đo thể tích chất lỏng, cân để đo khối lượng, nhiệt kế để đo nhiệt độ, kính viễn vọng để quan sát các ngôi sao ở xa, kính hiển vi để quan sát những vật có kích thước rất nhỏ, v.v… Trong nghiên cứu hóa học, có hai kiểu quan sát chính là định tính và định lượng. Ví dụ, những quan sát để nhận ra nước là chất lỏng ở điều kiện thường, hay khi trộn dung dịch AgNO3 với dung dịch NaCl ta thấy xuất hiện kết tủa màu trắng, v.v… là những quan sát định tính.
Một số quan sát khác có tính định lượng như: nước nguyên chất đông đặc ở 0 oC và sôi ở 100 oC; khi trộn dung dịch AgNO3 với dung dịch NaCl, chất kết tủa màu trắng tạo thành có chứa 75.73% chlorine theo khối lượng. Càng ngày con người tạo ra càng nhiều máy móc mới để quan sát tốt hơn thế giới tự nhiên, các định luật và lý thuyết theo đó cũng có thể được điều chỉnh. Cũng cần lưu ý rằng định luật và thuyết là hai sản phẩm của nghiên cứu khoa học, cả hai đều được dùng để dự đoán thế giới tự nhiên, nhưng định luật khác với thuyết. Một cách ngắn gọn, ta có thể nói rằng định luật tổng kết những điều xảy ra, lý thuyết là lời giải thích tại sao điều đó lại xảy ra như vậy.
Điều ta cần nhớ 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 giải thích thế giới tự nhiên ngày càng đúng hơn, con người phải không ngừng tiến hành những thí nghiệm mới và điều chỉnh lý thuyết đang có sao cho phù hợp với những hiểu biết mới.
Những điều ta vừa nói về phương pháp nghiên cứu khoa học có thể được xem là con đường lý tưởng nhất của quá trình nghiên cứu khoa học. Trong thực tế, con đường đi tới kiến 4 thức khoa học không phải bao giờ cũng bằng phẳng và hiệu quả. Không có điều gì bảo đảm cho sự thành công của nghiên cứu khoa học. Như ta đã nói ở phần trên, giả thuyết chịu ảnh hưởng của quan sát, không những vậy, giả thuyết còn luôn luôn dựa trên các lý thuyết đã có, và trên hết, cả giả thuyết và quan sát đều do con người tiến hành nên không tránh khỏi hoàn toàn tính chủ quan của người quan sát.
Các kết quả nghiên cứu tâm lý con người chỉ ra rằng chúng ta thường dễ quan sát thấy những điều ta mong đợi hơn là nhận ra những điều chúng ta không mong đợi. Nói cách khác, khi kiểm tra giả thuyết hay lý thuyết, ta thường tập trung vào vấn đề đang xét, điều này là rất cần thiết, nhưng sự tập trung đó có thể làm ta không nhìn thấy các cách khác để giải thích vấn đề. Điều này có thể hạn chế óc sáng tạo của chúng ta, và cũng có thể ngăn cản chúng ta nhận biết vấn đề một cách toàn diện và sát với thực tế hơn. Nội dung và yêu cầu của môn Hóa học đại cương Như vừa nói ở trên, nghiên cứu khoa học được thực hiện theo trình tự quan sát – đưa ra định luật và lý thuyết – áp dụng.
Trong môn học Hóa học đại cương, chúng ta sẽ quan tâm tới các định luật và các lý thuyết căn bản đã được các nhà hóa học kiểm tra và công nhận rộng rãi; phần quan sát thực nghiệm và các kỹ năng thu thập, xử lý dữ liệu thực nghiệm sẽ được nhấn mạnh trong phần thực hành hóa học đại cương. Như vậy, trong môn học Hóa học đại cương, sinh viên sẽ học những nguyên lý căn bản nhất của hóa học thông qua các thuyết và định luật. Các nguyên lý đó là cơ sở để dự đoán tính chất của các chất và khả năng phản ứng của chúng để chuyển hóa thành những chất khác. Học xong môn Hóa học đại cương, chúng ta cần hiểu rõ nội dung của các thuyết và các định luật cơ sở trong hóa học, áp dụng được chúng để giải thích và dự đoán một số quá trình trong thực tế.
Điều cần lưu ý là có thể có nhiều thuyết cùng giải thích một vấn đề, một ví dụ là thuyết Lewis, thuyết liên kết cộng hóa trị (thuyết VB), và thuyết orbital phân tử (thuyết MO) đều có thể giải thích sự tạo thành liên kết hóa học trong các chất, nhưng mỗi thuyết đều có những mặt mạnh và yếu khác nhau, ta cần hiểu rõ các mặt mạnh hay yếu, cũng như giới hạn của mỗi thuyết và định luật để áp dụng chúng một cách hợp lý và hiệu quả. Thông thường, ta sẽ dùng những thuyết đơn giản để giải thích vấn đề. Nếu không thể giải quyết vấn đề bằng các thuyết đơn giản thì ta sẽ dùng đến các thuyết mạnh hơn, phức tạp hơn. 5 Chương 2 NGUYÊN TỬ – NGUYÊN TỐ HÓA HỌC – ĐỒNG VỊ 2.
Sơ lược lịch sử hóa học đến thế kỷ thứ XIX – khái niệm về nguyên tử, nguyên tố hóa học, đơn chất, và hợp chất Vật chất chung quanh ta có nguồn gốc từ đâu, chúng có cấu tạo thế nào, biến đổi gì đã xảy ra khi ta nướng quặng để thu được kim loại làm đồ trang sức, vũ khí, v.v… Con người đã đặt ra những câu hỏi tương tự như vậy từ thuở sơ khai của xã hội loài người. Từ đó đến nay, người ta đã đưa ra nhiều cách giải thích khác nhau về nguồn gốc và cấu tạo của thế giới vật chất. Trong phần này, ta chỉ kể đến vài cách giải thích nổi bật trước thế kỷ thứ XIX. Vào khoảng 400 năm trước công nguyên, người Hy Lạp tin rằng tất cả vật chất được tạo thành từ sự kết hợp của bốn nguyên tố: lửa, đất, nước, và không khí.
Bên cạnh đó, họ cũng cho rằng các sự biến đổi của vật chất đều xuất phát từ sự kết hợp khác nhau của bốn yếu tố trên. Họ cũng quan tâm tới vấn đề liệu vật chất có tính liên tục hay gián đoạn, liệu có những “hạt không thể phân chia được nữa” tạo nên vật chất hay không. Một nhà triết học Hy Lạp thời bấy giờ là Democritus đã ủng hộ ý tưởng vật chất có tính gián đoạn. Theo Democritus, vật chất được tạo thành từ những hạt rất nhỏ, không thể nhìn thấy, không thể phân chia được, và ông gọi các hạt đó là nguyên tử (chính xác hơn, Democritus gọi các hạt đó là atomos, ngày nay ta gọi là atom).
Có thể xem Democritus là người đầu tiên giải thích cấu tạo của vật chất dựa vào khái niệm nguyên tử. Tuy nhiên, giải thích của ông chỉ xuất phát từ trực giác, không phải là kết quả của quá trình nghiên cứu khoa học. Hai ngàn năm tiếp theo trong lịch sử hóa học là giai đoạn giả kim thuật. Các nhà giả kim luôn luôn tìm cách chuyển các kim loại rẻ tiền thành vàng.
Mặc dù không thực hiện được điều đó, họ đã khám phá ra nhiều nguyên tố hóa học như thủy ngân (Hg), lưu huỳnh (S), antimony (Sb), và biết cách điều chế một số acid và muối vô cơ, ví dụ như acid sulfuric (H2SO4), acid nitric (HNO3), muối natrium sulfate (Na2SO4), v.v… Nền móng của hóa học hiện đại được bắt đầu xây dựng từ thế kỷ thứ XVI với các nghiên cứu một cách có hệ thống trong lĩnh vực luyện kim của Georgius Agricola (còn có tên là Georg Bauer, 1494–1555), và việc dùng các khoáng chất vào y học bởi Paracelsus (còn có tên là Theophrastus von Hohenheim, 1493–1541). Tuy vậy, Robert Boyle (1627–1691) mới được xem là nhà hóa học hiện đại đầu tiên tiến hành các thí nghiệm mang tính định lượng theo phương pháp nghiên cứu khoa học khi ông khảo sát mối tương quan giữa thể tích và áp suất của chất khí. Các nghiên cứu định lượng trong vật lý và hóa học phát triển mạnh sau khi Boyle xuất bản cuốn “The Steptical Chemist” vào năm 1661. Bên cạnh định luật về chất khí, một đóng góp quan trọng khác của Boyle trong hóa học là đưa ra khái niệm nguyên tố hóa học.
Qua quan sát, Boyle thấy có một số chất có thể bị phân chia thành những chất đơn giản hơn, ví dụ, khi nung nóng thủy ngân oxide, ông thu được thủy ngân và oxygen. Tuy nhiên, không thể phân chia thủy ngân và oxygen thành những chất đơn giản hơn nữa. Từ đó, Boyle định nghĩa: mỗi chất là một nguyên tố hóa học (element) nếu ta không thể phân chia nó thành hai hay nhiều chất đơn giản hơn. Dù vậy, ông không nói rõ là có bao nhiêu nguyên tố hóa học.
Hiện nay, từ “element” trong thuật ngữ hóa học tiếng Anh (ngôn ngữ của Boyle) được dùng với cả hai nghĩa, “đơn chất” và “nguyên tố hóa học”. Thuật ngữ hóa học hiện đại của nhiều ngôn ngữ khác với tiếng Anh, trong đó có tiếng Việt, phân biệt “đơn chất” và “nguyên tố hóa học”. “Đơn chất” là những chất được tạo thành từ các nguyên tử của cùng một nguyên tố, ví dụ, oxygen là đơn chất vì phân tử oxygen gồm hai nguyên tử O giống nhau, ký 6 hiệu là O2. Đối nghịch với đơn chất là “hợp chất” là những chất được tạo thành từ hai hay nhiều loại nguyên tử khác nhau, ví dụ, thủy ngân oxide, HgO, là hợp chất vì chất này được tạo thành từ hai loại nguyên tử, O và Hg.
Trong khi đó, thuật ngữ “nguyên tố hóa học” để chỉ tập hợp các nguyên tử có cùng điện tích hạt nhân nguyên tử (xem chi tiết ở mục 2. Ngoài ra, thuật ngữ “chất” có thể dùng chung cho đơn chất và hợp chất khi không cần phân định rõ ràng hai loại này. Trong phần còn lại của tài liệu này, các thuật ngữ chất, đơn chất, hợp chất, và nguyên tố hóa học sẽ được dùng theo các định nghĩa vừa nêu trên. Từ khái niệm nguyên tố hóa học của Boyle và các kết quả nghiên cứu tiếp theo, các khí oxygen, nitrogen, hydrogen, carbonic dần dần được phát hiện, và số nguyên tố hóa học biết được tăng lên nhanh chóng.
Khái niệm nguyên tử và nguyên tố hóa học dần dần được chấp nhận rộng rãi và thay thế hẳn thuyết “bốn yếu tố” của người Hy Lạp.