Hóa học

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Cổng tri thức Hóa học

Hóa học là khoa học về các đặc tính, sự cấu tạo, và cách thay đổi của các chất. Hóa học nói về các nguyên tố, hợp chất, nguyên tử, phân tử, và các phản ứng xảy ra giữa những thành phần đó.

[sửa] Lịch sử

Hóa học phát triển từ giả kim thuật, đã được thực hành từ hàng ngàn năm trước ở Trung Hoa, Châu Âu và Ấn Độ.

Khoa giả kim thuật nghiên cứu về vật chất, nhưng thế giới của những nhà giả kim thuật đều dựa trên kinh nghiệm thực tế và công thức bắt nguồn từ thực hành chứ không dựa vào những nghiên cứu khoa học. Mục đích của họ là một chất gọi là "Hòn đá thông minh" dùng để biến đổi những chất như chì thành vàng. Các nhà giả kim thuật đã tiến hành rất nhiều thí nghiệm để tìm ra chất này qua đó họ đã phát triển nhiều dụng cụ mà ngày nay vẫn còn được sử dụng trong kỹ thuật hóa học.

Nhưng không một nhà giả kim thuật nào tìm ra được hòn đá thông minh đó và trong thế kỷ thứ 17, các phương pháp làm việc của khoa giả kim thuật được thay đổi bằng những phương pháp khoa học. Một phần kiến thức của các nhà giả kim thuật được sử dụng bởi các nhà hóa học, những người làm việc dựa vào kết luận hợp lý của những gì mà họ quan sát được chứ không dựa vào ý nghĩ biến hóa chì thành vàng.

Lịch sử của hóa học có thể được coi như bắt đầu từ lúc Robert Boyle tách hóa học từ khoa giả kim thuật trong tác phẩm The Skeptical Chemist (Nhà hóa học hoài nghi) vào năm 1661 nhưng thường được đánh dấu bằng ngày Antoine Lavoisier tìm ra khí ôxy vào năm 1783.

Hóa học như là một môn khoa học đã có được nhiều thúc đẩy vào thế kỷ 19. Những nghiên cứu của Justus von Liebig về tác động của phân bón đã thành lập ra ngành Hóa nông nghiệp và cung cấp nhiều nhận thức cho ngành hóa vô cơ. Cuộc tìm kiếm một hóa chất tổng hợp thay thế cho chất màu indigo dùng để nhuộm vải là bước khởi đầu của những phát triển vượt bậc cho ngành hóa hữu cơ và dược. Một đỉnh cao trong việc phát triển ngành hóa học là phát minh bảng tuần hoàn nguyên tố của Dmitri Ivanovich Mendeleev và Lothar Meyer. Mendelev đã sử dụng quy luật của bảng tuần hoàn để tiên đoán trước sự tồn tại và tính chất của germanium, gallium và scandium vào năm 1870. Gallium được tìm thấy vào năm 1875 và có những tính chất như Mendeleev đã tiên đoán trước.

Nghiên cứu trong hóa học đã phát triển trong thời kỳ chuyển tiếp sang thế kỷ 20 đến mức các nghiên cứu sâu về cấu tạo nguyên tử đã không còn là lãnh vực của hóa học nữa mà thuộc về vật lý nguyên tử hay vật lý hạt nhân. Mặc dù vậy các công trình nghiên cứu này đã mang lại nhiều nhận thức quan trọng về bản chất của sự biến đổi chất hóa học và của các liên kết hóa học. Các động lực quan trọng khác bắt nguồn từ những khám phá trong vật lý lượng tử thông qua mô hình quỹ đạo điện tử.

[sửa] Tầm quan trọng

[sửa] Trong cuộc sống

Phản ứng hóa học xảy ra trong cuộc sống hằng ngày thí dụ như trong lúc nấu ăn, làm bánh hay rán mà trong đó các biến đổi chất xảy ra một cách rất phức tạp đã góp phần tạo nên hương vị đặc trưng cho món ăn. Thêm vào đó thức ăn được phân tách ra thành các thành phần riêng biệt và cũng được biến đổi thành năng lượng trong các quá trình phân hủy trong cơ thể (hóa sinh). Sự đốt cháy cũng là một phản ứng hóa học có thể được quan sát dễ dàng. Nhuộm tóc, động cơ đốt trong, màn hình của điện thoại di động, bột giặt, phân bón, dược phẩm,... là các thí dụ khác cho ứng dụng của hóa học trong cuộc sống hằng ngày.

[sửa] Liên hệ với khoa học khác

Hóa học nghiên cứu về tính chất của các nguyên tố và hợp chất, về các biến đổi có thể có từ một chất này sang một chất khác, tiên đoán trước tính chất của những hợp chất chưa biết đến cho tới nay, cung cấp các phương pháp để tổng hợp những hợp chất mới và các phương pháp đo lường hay phân tích để tìm các thành phần hóa học trong những mẫu thử nghiệm.

Mặc dù tất cả các chất đều được cấu tạo từ một số loại "đá xây dựng" tương đối ít, tức là từ khoảng 80 đến 100 nguyên tố trong số 118 nguyên tố được biết đến nhưng sự kết hợp và sắp xếp khác nhau của các nguyên tố đã mang lại đến vài triệu hợp chất khác nhau, những hợp chất mà đã tạo nên các loại vật chất khác nhau như nước, cát (chất), mô sinh vật và mô thực vật. Thành phần của các nguyên tố quyết định các tính chất vật lý và hóa học của các chất và làm cho hóa học trở thành một bộ môn khoa học rộng lớn.

Cũng như trong các bộ môn khoa học tự nhiên khác thí nghiệm trong hóa học là cột trụ chính. Thông qua thí nghiệm các lý thuyết về cách biến đổi từ một chất này sang một chất khác được phác thảo, kiểm nghiệm, mở rộng và khi cần thiết thì cũng được phủ nhận.

Tiến bộ trong các chuyên ngành khác nhau của hóa học thường là các điều kiện tiên quyết không thể thiếu cho những nhận thức mới trong các bộ môn khoa học khác, đặc biệt là trong các lãnh vực của sinh học và y học, cũng như trong lãnh vực của vật lý (thí dụ như việc chế tạo các chất siêu dẫn mới). Hóa sinh, một chuyên ngành rộng lớn, đã được thành lập tại nơi giao tiếp giữa hóa học và sinh vật học và là một chuyên ngành không thể thiếu được khi muốn hiểu về các quá trình trong sự sống, các quá trình mà có liên hệ trực tiếp và không thể tách rời được với sự biến đổi chất.

Đối với y học thì hóa học không thể thiếu được trong cuộc tìm kiếm những thuốc trị bệnh mới và trong việc sản xuất các dược phẩm. Các kỹ sư thường tìm kiếm vật liệu chuyên dùng tùy theo ứng dụng (vật liệu nhẹ trong chế tạo máy bay, vật liệu xây dựng chịu lực và bền vững, các chất bán dẫn đặc biệt tinh khiết,...). Ở đây bộ môn khoa học vật liệu đã phát triển như là nơi giao tiếp giữa hóa học và kỹ thuật.

[sửa] Trong công nghiệp

Công nghiệp hóa là một ngành kinh tế rất quan trọng. Công nghiệp hóa sản xuất các hóa chất cơ bản như axít sunfuric hay amoniac, thường là nhiều triệu tấn hằng năm, để thí dụ như dùng trong sản xuất phân bón và chất dẻo. Mặt khác công nghiệp hóa cũng sản xuất rất nhiều hợp chất phức tạp, đặc biệt là dược phẩm. Nếu không có các hóa chất được sản xuất trong công nghiệp thì cũng không thể nào sản xuất máy tính hay nhiên liệu và chất bôi trơn cho công nghiệp ô tô.

[sửa] Phân ngành

Hóa học được chia ra theo loại chất nghiên cứu mà quan trọng nhất là cách chia truyền thống ra làm Hóa hữu cơ (Hóa học nghiên cứu về những hợp chất của cácbon) và Hóa vô cơ (Hóa học của những nguyên tố và hợp chất không có chuỗi cácbon).

Một cách chia khác là chia Hóa học theo mục tiêu thành Hóa phân tích (phân chia những hợp chất) và Hóa tổng hợp (tạo thành những hợp chất mới).

Một số chuyên ngành quan trọng khác của Hóa học là : Hóa sinh, Hóa-Lý, Hóa lý thuyết bao gồm ngành Hóa lượng tử, Hóa thực phẩm, Hóa lập thể, và Hóa dầu. Ngoai ra còn 1 ngành cũng rất quan trọng đến ngành hóa đó là Cơ hóa-Nghiên cứu+sản xuất+ chế tạo các thiết bị phục vụ ngành hóa

[sửa] Khái niệm quan trọng

[sửa] Thuật ngữ

Bài chính: Thuật ngữ hóa

Thuật ngữ là cách đặt tên rõ ràng cho các hợp chất. Các hợp chất hữu cơ có tên theo thuật ngữ hữu cơ, và các hợp chất vô cơ có tên theo thuật ngữ vô cơ.

[sửa] Nguyên tử

Bài chính: Nguyên tử

Nguyên tử là thành phần nhỏ nhất trong hóa học. Nó được xem là nhỏ nhất vì đối với hóa học, nguyên tử không thể bị chia nhỏ hơn được.

[sửa] Nguyên tố

Bài chính: Nguyên tố.

Nguyên tố là chất được cấu tạo bằng các nguyên tử có số proton giống nhau trong hạt nhân. Số này được gọi là số nguyên tố. Thí dụ: tất cả nguyên tố có 6 proton trong hạt nhân thuộc về nguyên tố cacbon, và tất cả những nguyên tố có 92 proton trong hạt nhân thuộc nguyên tố urani.

[sửa] Hợp chất

Bài chính: Hợp chất hóa học.

Một hợp chất trong hóa học là một chất có tỷ lệ cố định của các nguyên tố cấu thành và có một cấu tạo nhất định quyết định các tính chất hóa học. Thí dụ như nước là một hợp chất có hiđrô và ôxy với tỷ lệ 2:1. Các hợp chất được tạo thành và biến đổi thông qua các phản ứng hóa học. Nguyên tố là tập hợp những nguyên tử đồng vị , có cùng số proton nhưng khác số nơtron. Có khoảng 110 nguyên tố hóa học , số thứ tự nguyên tố trong bảng tuần hoàn chính là số hạt proton trong hạt nhân nguyên tử.Ví dụ : Nguyên tố Hydrô là tập hợp 3 loại đồng vị của nguyên tử hydrô.

[sửa] Phân tử

Bài chính: Phân tử.

Phân tử là là phần nhỏ nhất không thể chia cắt được nữa của một hợp chất tinh khiết mà vẫn giữ được các tính chất hóa học đồng nhất. Một phân tử chứa đựng 2 hay nhiều nguyên tử liên kết với nhau.

[sửa] Ion

Bài chính: Ion.

Ion là một chất có tích điện hay một nguyên tử hay phân tử đã mất đi hay có thêm một điện tử. Cation tích điện dương (thí dụ như cation của natri Na⁺) và anion tích điện âm (thí dụ clorua Cl^-) tạo thành muối trung tính (thí dụ như natri clorua). Hyđroxyt (OH^-) hay phosphat (PO₄^3-) là các thí dụ cho ion nhiều nguyên tử không bị chia cắt trong các phản ứng axít-bazơ.

[sửa] Liên kết hóa học

Bài chính: Liên kết hóa học.

Liên kết hóa học là liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử hay tinh thể. Trong nhiều hợp chất đơn giản, thuyết liên kết hóa trị và khái niệm về số ôxi hóa có thể được ứng dụng để tiên đoán rất nhiều cấu trúc của ion. Thế nhưng thuyết liên kết hóa trị không giải thích được cấu tạo của các hợp chất phức tạp hơn thí dụ như các hợp chất phức của kim loại và người ta phải cần đến các lý thuyết khác dựa trên cơ sở của hóa lượng tử thí dụ như thuyết quỹ đạo phân tử.

[sửa] Trạng thái vật chất

Bài chính: Trạng thái vật chất.

Trong vật lý và hóa học, một trạng thái vật chất, hay một pha của vật chất, là một tập hợp các điều kiện vật lý và hóa học mà ở đó vật chất có các tính chất lý hóa đồng nhất.

[sửa] Phản ứng hóa học

Bài chính: Phản ứng hóa học.

Phản ứng hóa học là các biến đổi trong cấu trúc của các phân tử. Trong phản ứng hóa học các phân tử liên kết với nhau tạo thành các phân tử lớn hơn hay bị phá vỡ ra thành 2 hay nhiều phân tử nhỏ hơn. Các phản ứng hóa học thường bao hàm việc tạo thành hay phá vỡ các liên kết hóa học.

[sửa] Hóa lượng tử

Bài chính: Hóa lượng tử.

Hóa lượng tử miêu tả tính chất của vật chất ở quy mô phân tử. Về nguyên tắc có thể dùng thuyết này để miêu tả tất cả các hệ thống hóa học. Trên thực tế chỉ có các hệ thống hóa học đơn giản nhất mới có thể được nghiên cứu nếu như chỉ dùng thuyết cơ học lượng tử và nhiều phép gần đúng phải được tiến hành cho nhửng mục đích trong thực tế.

[sửa] Các định luật

Khái niệm cơ bản nhất trong hóa học là định luật bảo toàn khối lượng, không có thay đổi về số lượng của vật chất trong một phản ứng hóa học. Vật lý hiện đại đã chỉ ra rằng chính năng lượng mới được bảo toàn và đồng thời năng lượng và khối lượng có liên hệ trực tiếp với nhau, một thuyết quan trọng trong ngành hóa hạt nhân. Bảo toàn năng lượng dẫn đến nhiều lý thuyết khác của cân bằng hóa học, nhiệt động lực học và động lực học hóa học.

Các định luật khác của hóa học phát sinh từ định luật bảo toàn khối lượng. Định luật tỷ lệ xác định của Joseph Proust cho rằng các hóa chất tinh khiết được cấu tạo từ nguyên tố với một công thức cố định. Ngày nay chúng ta đã biết rằng cách sắp xếp của các nguyên tố cũng rất là quan trọng. Định luật tỷ lệ bội số của John Dalton cho rằng các nguyên tố này hiện diện trong hóa chất với một tỷ lệ nhất định là các số nguyên nhỏ (thí dụ như 1:2 O:H trong nước), mặc dầu vậy các phân tử lớn trong sinh học và trong hóa học về khoáng chất các tỷ lệ này có xu hướng đi đến các số lớn hơn.

Các định luật hiện đại của hóa học định nghĩa mối quan hệ giữa năng lượng và sự biến đổi.

Trong một cân bằng, các phân tử tồn tại trong hỗn hợp được xác định bằng các biến đổi có thể xảy ra theo thời gian của cân bằng này và tỷ lệ của chúng được xác định bởi năng lượng bên trong của các phân tử. Năng lượng bên trong càng nhỏ thì phân tử càng có nhiều.
Biến đổi từ cấu trúc này sang cấu trúc khác cần dùng đến năng lượng để vượt qua rào cản năng lượng. Năng lượng cần dùng này có thể là năng lượng bên trong của chính các phân tử hay từ một nguồn bên ngoài mà nói chung là sẽ làm tăng tốc độ biến đổi. Rào cản năng lượng càng cao thì biến đổi xảy ra càng chậm.
Định đề Hammond-Leffler cho rằng cấu trúc của các phân tử tại trạng thái chuyển tiếp trong các phản ứng hóa học sẽ tương tự với sản phẩm hay hóa chất khởi đầu mà có năng lượng bên trong gần giống nhất.
Tất cả các quy trình hóa học đều có thể đảo ngược được mặc dù một vài quy trình cần nhiều năng lượng đến mức về cơ bản chúng không đảo ngược được.

[sửa] Xem thêm

[sửa] Tham khảo

(bằng tiếng Việt)

Hóa học cho mọi người - mọi nhà: Trọn bộ 4 tập. B.Đ. Stêrin, L.IU Alikberôva; Người dịch: Nguyễn Thị Quyên. NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2000

[sửa] Liên kết ngoài

Wikibooks có sách Anh ngữ về:

Hóa học

Cơ sở dữ liệu thông tin về hóa học (Tiếng Anh)
Trang chính về thuật ngữ của IUPAC (tiếng Anh)
Phim video và ảnh về các thí nghiệm trong hóa học (Tiếng Anh và tiếng Đức)
Chemie-Wereld: Startpage (Thế giới hóa học)