Tiểu luận Các phạm trù của phép biện chứng trong hóa học

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH š&› CHUYÊN NGÀNH: LÝ LUẬN & PHƯƠNG PHÁP DẠY HỌC BỘ MÔN HÓA HỌC TIỂU LUẬN NHỮNG VẤN ĐỀ TRIẾT HỌC CỦA HÓA HỌC ĐỀ TÀI CÁC PHẠM TRÙ CỦA PHÉP BIỆN CHỨNG TRONG HÓA HỌC Giảng viên : TS. Nguyễn Ngọc Khá TS. Nguyễn Chương Nhiếp Học viên : Trần Thị Huyền Trang TP HỒ CHÍ MINH 2011 MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Do tính phổ biến, có thể áp dụng được cho nhiều vật thể và hiện tượng của tự nhiên, xã hội và tư duy nên các phạm trù của phép biện chứng được sử dụng trong mọi ngành nhiên cứu khoa học. Kết quả của việc nghiên cứu phụ thuộc vào việc xét đến tính đặc thù của các mặt và các mối liên hệ xác định, đặc trưng cho các tổ chức vật chất xác định về chất và các quá trình, thí dụ như các chất hóa học và những sự biến hóa của chúng. Nhưng việc tìm ra những đặc điểm của sự thể hiện và tác dụng của nội dung và hình thức của bản chất và hiện tượng, của tất nhiên và ngẫu nhiên, của khả năng và hiện thực… Ở các chất và các hiện tượng của dạng vận động hóa học thì chỉ có thể thực hiện được với những phương tiện và phương pháp của chính môn hóa học. Do đó, để vận dụng những nguyên tắc phương pháp luận tổng quát do triết học xây dựng nên, trong đó có cả các phạm trù, và việc phân tích và giải thích các vấn đề và các hiện tượng hóa học thì cần phải nhận thức rõ chất liệu cụ thể, các khái niệm, các định luật và học thuyết của khoa học hóa học. Những mối liên hệ và những mối quan hệ qua lại của các sự vật và hiện tượng, những mặt nội tại của chúng được phản ánh bằng những phạm trù. Mỗi phạm trù chỉ phản ánh một mặt riêng rẽ của chất, của quá trình, hiện tượng hóa học. Nhưng bởi vì tất cả các mặt gắn liền với nhau, nên một biểu tượng chung về các chất và hiện tượng hóa học chỉ hình thành khi nghiên cứu mối liên hệ qua lại của tất cả các phạm trù, do đó, như V.I.Lê-nin đã nhận xét, chỉ có “Một tổng vô tận các khái niệm, các qui luật chung, v.v…mới cho thấy đầy đủ cái cụ thể. Việc sử dụng những phạm trù khi nghiên cứu một chất, một quá trình, hiện tượng hóa học cho ta những kiến thức đúng đắn, sâu sắc và toàn diện. Thí dụ như việc xác định nội dung và hình thức tồn tại của chất và hiện tượng, xác định cấu tạo của chúng và mối liên hệ giữa cấu tạo và các tính chất của chúng; giải thích những mối liên hệ tất yếu ngẫu nhiên,v.v…tất cả những điều đó giúp cho ta nhận thức được bản chất của chất, hiện tượng hóa học. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Vận dụng những nguyên tắc phương pháp luận tổng quát do triết học xây dựng nên, trong đó có cả các phạm trù, và việc phân tích và giải thích các vấn đề và các hiện tượng hóa học. MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI Qua việc nghiên cứu các phạm trù của phép biện chứng duy vật, áp dụng vào tìm hiểu các hiện tượng hóa học từ đó có thể thấy rằng chỉ có thể tiến hành việc nghiên cứu khoa học có hệ thống với điều kiện theo đúng những nguyên tắc chung về mối quan hệ qua lại giữa các mặt và hiện tượng, mối quan hệ này thể hiện ra ở các phạm trù của phép biện chứng duy vật, và ta có thể giải thích được rất nhiều các hiện tượng hóa học và tự nhiên khác. CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ CƠ SỞ NGHIÊN CỨU Dựa vào các phạm trù của phép biện chứng, nghiên cứu các hiện tượng trong lĩnh vực hóa học như : Bản chất và hiện tượng Tất nhiên và ngẫu nhiên Khả năng thực tế và khả năng trừu tượng Mối liên hệ giữa tính chất và các chất hóa học ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nguyên tắc phương pháp luận tổng quát do triết học xây dựng Các phạm trù của phép biện chứng Các vấn đề và các hiện tượng hóa học Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI Chỉ có thể tiến hành việc nghiên cứu khoa học có hệ thống với điều kiện theo đúng những nguyên tắc chung về mối quan hệ qua lại giữa các mặt và hiện tượng, mối quan hệ này thể hiện ra ở các phạm trù của phép biện chứng duy vật. Ý nghĩa phương pháp luận quan trọng của các phạm trù là ở chỗ việc nghiên cứu các thuộc tính, những sự kiện và những hiện tượng hóa học đơn nhất, riêng rẽ sẽ dẫn đến việc xác lập cái tổng quát, khởi thảo ra khái niệm khoa học, tìm ra qui luật; việc tìm ra phép biện chứng của bản chất và hiện tượng chỉ ra con đường đi tới nhận thức mới, quá trình vận động tới việc phản ánh chân lý ngày càng đúng đắn và sâu sắc hơn; việc phân tích mối quan hệ lẫn nhau giữa cấu trúc và các thuộc tính của một chất, mối liên quan lẫn nhau giữa khả năng và hiện thực cho phép ta giải thích được tính qui luật và nhờ đó xác định được những dạng và những giai đoạn pháp sinh và phát triển của các chất và các phản ứng được nghiên cứu, những thuộc tính, những mối liên hệ và những sự chuyển hóa lẫn nhau giữa chúng. NỘI DUNG CHƯƠNG I. BẢN CHẤT VÀ HIỆN TƯỢNG Tất cả các sự vật và hiện tượng đều có những thuộc tính những dấu hiệu, những mặt, những mối liên hệ và những mối quan hệ bên trong và bên ngoài. Chúng đặc trưng cho sự vật và hiện tượng, đồng thời chúng cũng khác nhau về ý nghĩa. Có những thuộc tính, những mối liên hệ, quan hệ là căn bản, sâu sắc, tương đối ổn định. Chúng là cơ sở của các sự vật và hiện tượng, quy định bản chất, sự tồn tại và phát triển của sự vật và hiện tượng; chúng là tất nhiên về mặt nội tại của sự vật hiện tượng. Có những thuộc tính, những mối liên hệ và quan hệ khác lại ở bên ngoài , không ổn định, phụ thuộc vào các thuộc tính, những mối liên hệ và quan hệ căn bản dễ dàng thay đổi khi thay đổi các điều kiện. Những mặt, những thuộc tính, những mối quan hệ ổn định bên trong quy định nên sự phát triển của các sự vật và hiện tượng thì tạo nên bản chất của chúng. Sự biểu hiện bản chất ra ngoài, hình thức thể hiện bên ngoài của nó là hiện tượng. Bản chất của sự vật và quá trình thường là tiềm tàng, không trực tiếp quan sát, nhận biết được ngay. Tuy nhiên nó bộc lộ ra ngoài thông qua hiện tượng, và có thể nhận thấy được bằng giác quan và bằng cách dùng các dụng cụ. Bản chất của dòng điện là sự chuyển động của các electron, những mối quan hệ sâu sắc giữa các hiện tượng điện và các hiện tượng khác (thí dụ như mối liên hệ giữa hiện tượng điên và các hiện tượng hóa học biểu hiện bằng các định luật Faraday, định luật D.P Jun-Lenxo) đã được tìm ra bằng cách nghiên cứu lâu dài nhiều hiện tượng cụ thể đơn lẻ, nhận thấy được bằng quan sát và thí nghiệm, chẳng hạn như việc đốt nóng các dây dẫn, sự điện phân, sự phóng điện giữa các vật thể tích điện để gần nhau, sự phát quang của các chất khí khi có dòng điện phóng qua v.v…Việc quan sát và nghiên cứu chuyển động Brao, áp suất của các chất khí lên thành bình, các hiện tượng trao đổi nhiệt, và những sự chuyển hóa của các chất từ trạng thái tập hợp này sang trạng thái tập hợp khác gắn liền với những sự thay đổi nhiệt độ đã dẫn tới việc tìm ra bản chất của sự động phân tử . Từ những điều trên ta thấy rằng bản chất là cơ sở duy nhất cho một loạt những hiện tượng liên hệ dẫn nhau. Trong những điều kiện khác nhau, bản chất bộc lộ ra khác nhau, biểu hiện ra ở hiện tượng này hoặc hiện tượng khác. Việc nhận thức một chất hóa học , những tính chất và cấu tạo của chúng thường bắt đầu bằng việc nghiên cứu qua quan sát và thí nghiệm những thuộc tính, những mặt, những mối liên hệ đơn giản, bên ngoài, nhận thấy được bằng các giác quan như: màu, vị, mùi, độ tan trong nước, tính axit hoặc tính bazo xác định, tiến hành những phản ứng đơn giản, từng phần với các chất khác và mô tả kết quả. Việc quan sát thường đi trước các suy luận lý thuyết . Do đó việc nghiên cứu các hiện tượng là điểm xuất phát nhận thức các chất và các quá trình hóa học. Tuy nhiên, khi bắt đầu nghiên cứu một chất hóa học từ hiện tượng, nhà hóa học ngay từ đầu cũng đã đặt ra giả thuyết về bản chất của nó. Dựa vào giả thuyết này, và trên cơ sở giả thuyết, nhà hóa học đã tiến hành quan sát và thu nhập các dữ kiện thí nghiệm theo một hướng nhất định. Như vậy, nhiêm vụ của nhà hóa học – nghiên cứu là ở chỗ làm thế nào xuất phát từ các hiện tượng và thông qua hiện tượng, đi sâu vào bản chất của chất (hoặc quá trình) hóa học được nghiên cứu, tức là chứng minh tính đúng đắn của giả thuyết của mình. Trên nguyên tắc, điều này có thể thực hiện được. Bởi vì, như triết học khoa học đã xác nhận, bản chất và hiện tượng là không tách rời nhau, chúng gắn bó với nhau một cách hữu cơ, thống nhất biện chứng với nhau. Hiện tượng có bản chất làm cơ sở của nó, và bản chất bộc lộ ra ở hiện tượng. Theo cách phát biểu của V.I.Lênin thì “bản chất hiện ra, hiện tượng có tính bản chất”. Khó khăn trong việc phát hiện ra bản chất của một đối tượng hóa học là ở chỗ nếu chỉ quan sát trực tiếp một hiện tượng thôi thì không đủ. Thực vậy, khi xác định bản chất của một chất lỏng nào đó thì nhà hóa học phải thực hiện một loạt phản ứng với chất đó, đặc biệt là phải cho chất đó tác dụng với những kim loại như nhôm và kẽm. Khi đó sẽ quan sát thấy hiện tượng hòa tan kim loại. Tuy nhiên, nếu chỉ căn cứ vào đó mà kết luận rằng chất lỏng được nghiên cứu là một axit thì là không có căn cứ, vì những kim loại này cũng tan được cả trong chất kiềm. Do đó hiện tượng là phong phú hơn, là muôn hình muôn vẻ với ý nghĩa là nó thường phản ánh thuộc tính đặc trưng không những cho bản chất của mốt chất nhất định, mà đặc trưng cho những hợp chất có bản chất hóa học khác nhau. Do đó, từng hiện tượng đơn nhất thì có những mối liên hệ phụ, thứ yếu so vối một bản chất nhất định. Hiện tượng không bộc lộ toàn bộ bản chất, mà chỉ bộc lộ một nhân tố nào đó của bản chất thôi. Hiện tượng và bản chất không trùng nhau còn do ở chỗ đến lượt nó, bản chất với tư cách là cái chung cũng không bao hàm hoàn toàn các hiện tượng riêng rẽ. Bản chất không biểu thị nhiều đặc tính và thuộc tính của các đối tượng cụ thể. Ta biết rằng mỗi một phản ứng hóa học đều có kèm theo sự thu hoặc phát ra nhiệt, sự kết tủa nhiều cấu trúc tinh thể, sự tạo thành tướng lỏng hoặc giải phóng ra hợp phần khí, thay đổi màu sắc, thường có mùi đặc biệt, v.v…Tuy nhiên, tính nhiều vẻ của những đặc điểm kèm theo mỗi một phản ứng hóa học này không còn nữa khi chúng ta nói đến bản chất. Bản chất của phản ứng hóa học là ở sự phá vỡ và tạo thành những mối liên kết giữa các nguyên tử và nhóm nguyên tử, và trên cơ sở đó có sự biến đổi thành phần, cấu tạo và các thuộc tính của các chất phản ứng. Như vậy, mặc dù bộc lộ ra bên ngoài trong các hiện tượng riêng rẽ, bản chất cũng không ở ngay trên mặt các hiện tượng đó. Do đó Mac viết rằng : “…Nếu hình thức bộc lộ và bản chất của các sự vật sáp nhập với nhau thì mọi ngành khoa học sẽ hóa ra thừa”. Tư duy lý thuyết có vai trò quyết định ở đây; dựa trên những giác quan nhất định, dựa vào những quan sát thì nghiệm do tính nhiều vẻ của các hiện tượng mà tư duy lý thuyết phát hiện ra những mối liên hệ sâu sắt bên trong, tức là bản chất. Chỉ như vậy mới có thể giải thích khoa học những hiện tượng đó. Việc con người nhận thức bản chất của sự vật và hiện tượng là một quá trình đào sâu vô tận “Từ hiện tượng đến bản chất, từ bản chất bậc một đến bản chất bậc hai, v.v…vô tận”. Lịch sử phát sinh và phát triển của một trong những khái niệm quan trọng nhất của hóa học – khái niệm về hóa trị, phản ánh quá trình nhận thức và sự phát hiện ra cấu tạo của các hợp chất hóa học và bản chất của mối liên kết hóa học là một thí dụ minh họa rất rõ rang cho mối quan hệ này. Như ta đã biết, Franklenđơ (1853) lần đầu tiên đã thiết lập bằng thí nghiệm thuộc tính nguyên tử số, sau này gọi bằng thuật ngữ “hóa trị” Ngày nay thuật ngữ đó có nghĩa là “tính chất của một nguyên tử của một nguyên tố nhất định có thể hóa hợp hoặc đổi chỗ cho một số nguyên tử nhất định của nguyên tố khác”. Trong nhận thức về cấu tạo của một hợp chất hóa học sự việc đó là sự phát hiện ra bản chất bậc một, thể hiện ra ở sự hình thành khái niệm “hóa trị”. Được xây dựng trên cơ sở những quan niệm về nguyên tử, khái niệm này cho phép ta giải thích nhiều sự kiện thực nghiệm có liên quna đến thành phần và cấu tạo củ những hợp chất, hiểu sâu hơn bản chất của định luật tỷ lệ bội, tiên đoán một loạt những hiện tượng khác, sau này sẽ được xác nhận. Cùng với việc quy định rõ thêm và đưa vào các nguyên tử lượng, người ta đã xác định hóa trị của hầu hết các nguyên tố. Khái niệm hóa trị có vai trò to lớn trong việc xây dựng thuyết cấu tạo hóa học. Butlerop đã kí hiệu các mối liên kết hóa học, trật tự liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử bằng các vạch nhỏ. Số vạch chỉ hóa trị của nguyên tử của nguyên tố đã cho. Việc vận dụng các khái niệm về cấu tạo hóa học đã đánh dấu một bước tiến lớn trong nhận thức bản chất của các chất hóa học, và như ta đã biết, điều đó đã dẫn tới một sự phát triển chưa từng có thời đó về hóa học hữu cơ. Người ta không còn nghi ngờ gì nữa về sự tồn tại của hóa trị. Tuy nhiên việc xác nhận khái niệm này vẫn còn một phần nào mang tính chất hình thức, vì thời đó hãy còn chưa phát hiện ra tính chất của các lực hóa trị, bản chất của ái lực hóa học, tức là bí mật của vạch hóa trị còn chưa được khám phá ra. Giai đoạn mới trong việc nhận thức bậc sâu hơn nữa của bản chất của các chất hóa học gắn liền với việc tìm ra định luật tuần hoàn. Điều này được phản ánh ở sự phát triển sâu hơn nữa khái niệm hóa trị. Cho đến lúc ấy nhiều nhà bác học cho rằng hóa trị của nguyên tố trong các hợp chất hóa học là không đổi. Thí dụ Vuyecxo đã giả thiết lúc đầu là clo luôn luôn chỉ có hóa trị 1. Mendeleev đã chứng minh rằng hóa trị của clo có thay đổi. Hóa trị này khác nhau về chất trong các hợp chất của nguyên tố này với hidro và với oxi. Thí dụ, clo trong HCl có số oxi hóa là -1 còn trong Cl2O và Cl2O7 thì lần lượt có số oxi hóa là +1 và +7. Khi chứng minh rằng một tiểu phân hóa học (nguyên tử) có hóa trị là một sự thống nhất các mặt đối lập, Mendeleev đã phát hiện ra sâu hơn bản chất của cấu tạo các chất tạo nên từ các tiểu phân này. Thì ra không chỉ một nguyên tố có hóa trị khác nhau tùy theo các điều kiện, mà hóa trị cũng như nhiều tính chất khác của nguyên tử còn tuân theo định luật tuần hoàn, tức là sự biến đổi hóa trị không phải là ngẫu nhiên, mà là gằn liền với vị trí của nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn. Sự phát triển tiếp theo của khái niệm hóa trị gắn liền với cuộc cách mạng mới nhất trong vật lý học, với những thành tựu thực nghiệm xuất sắc trong nhận thức về cấu tạo nguyên tử. Năm 1913 Borh dựa trên những thí nghiệm đã làm, dực trên định luật tuần hoàn và mẫu hành tinh của nguyên tử đã giải thích sự phân phối các điện tử theo các quỹ đạo, đưa ra khái niệm về vòng điện tử bão hòa và vòng điện tử ngoài cùng, mà tính chất hóa học của các nguyên tố cũng như hóa trị của chúng phụ thuộc vào lớp điện tử ngoài cùng đó. Thực tế khái niệm về hóa trị đã được chuyển thành học thuyết về hóa trị, trong đó có bao gồm giải thích nguyên nhân tạo thành các hợp chất hóa học, tức là vạch ra bản chất của mối liên kết hóa học. Koxen (1915) và Liwis (1916) đã sử dụng mẫu nguyên tử của Borh để giải thích thuyết điện hóa trị và cộng hóa trị về liên kết hóa học. Vạch hóa trị tượng trưng cho mối liên kết giữa các nguyên tử trong thuyết cấu tạo, nay chchi3 đôi điện tử liên kết chung. Như vậy là bản chất tĩnh điện của mối liên kết hóa học – nguyên nhân của số oxi hóa âm và dương – đã được xác định. Tuy nhiên cơ chế của sự tạo thành đôi điện tử hóa trị liên kết, bản chất của mối liên kết cộng hóa trị, còn chưa được giải thích rõ. Những vấn đề này được giải quyết trong quá trình đi sâu thêm vào bản chất của cấu tạo nguyên tử, xác định bằng thực nghiệm bản chất hai mặt hạt và song thống nhất của các hạt cơ bản, tìm ra spin (momen tự quay) của electron, với sự phát sinh và phát triển trên cơ sở đó của thuyết cơ học lượng tử. Cơ sở của việc tạo thành liên kết ion cũng như liên kết cộng hóa trị cùng là một hiện tượng : đó là sự cặp đôi các electron. Điều này chỉ xảy ra trong trường hợp các electron có spin kháng song song. Số các electron chưa cặp đôi trong nguyên tử cho biết số liên kết hóa học có thể tạo thành, tức là cho biết hóa trị của nguyên tử nguyên tố đó. Dựa trên những quy luật của cơ học lượng tử, người ta đã xác lập được rằng những mối liên kết hóa học bền vững nhất được tạo thành về phía có sự xen phủ cực đại giữa các đám mây điện tử liên kết. Như vậy là cơ sở vật lý của tính bão hòa và tính định hướng của hóa trị đã được nêu lên; điều này vô cùng quan trọng trong việc phát triển học thuyết về các dạng không gian của phân tử Quá trình nhận thức bản chất của các chất hóa học là liên tục và theo nhiều mức độ. Sự tạo thành và phát triển các khái niệm phản ánh các mức độ đi sâu vào bản chất đó. Vì rằng bản chất là nhiều mặt, vô tận, nên trong quá trình nhận thức việc hình thành, phát triển và đào sâu những khái niệm khoa học là liên tục. Phép biện chứng của mối quan hệ lẫn nhau giữa bản chất và hiện tượng không chỉ có nội dung ở chỗ bản chất được nhận thức thông qua việc nghiên cứu thực nghiệm và suy luận lý thuyết về các hiện tượng cụ thể mà còn là ở chỗ chính việc hiểu biết về bản chất các đối tượng và các quá trình vật chất được phản ánh trong các khái niệm và định luật lại là một giai đoạn để nhận thức đầy đủ hơn về một hiện tượng cụ thể CHƯƠNG II. TẤT NHIÊN VÀ NGẪU NHIÊN TRONG HÓA HỌC Trong vô vàn những mối liên hệ muôn hình muôn vẻ tồn tại trong thế giới khách quan, nổi bật lên mối liên hệ cơ bản, lập đi lập lại, xuất phát từ bản chất của hiện tượng và những mối liên hệ thứ yếu, bề ngoài, tạm thời, phụ thuộc chủ yếu vào những điều kiện tồn tại bên ngoài của các sự vật và hiện tượng. Những phạm trù của phép biện chứng như ngẫu nhiên và tất nhiên phản ánh những mối liên hệ đó. Phạm trù tất nhiên phản ánh cái chung, cái điển hình, cái bên trong, xuất phát ngay từ những mối liên hệ sâu sắc, cơ bản, lặp đi lặp lại của các sự vật và hiện tượng trong thực tiễn. Do đó tất nhiên là những cái xuất phát từ những quy luật bên trong của sự phát triển trong những điều kiện cụ thể nhất định. Như ta đã biết, chính qui luật làm cho sự phát triển của hiện tượng diễn ra theo một trật tự xác định nghiêm ngặt. Tất nhiên là cái đã được chuẩn bị cho quá trình phát triển trước đó của hiện tượng, là cái xuất phát ngay từ bản chất bên trong của hiện tượng và nhất thiết, chắc chắn phải xảy ra. Thí dụ trọng lượng của các chất ban đầu tham gia vào phản ứng hóa học thường là bằng trọng lượng của các sản phẩm thu được; hidro tham gia vào phản ứng hóa học với tư cách là chất khử, còn clo là chất oxi hóa trong tương tác với các kim loại, butan chỉ có 2 đồng phân …điều đó có cơ sở ở những tính chất và những mối liên hệ bản chất sâu sắc của các chất hóa học. Những hiện tượng này là do tác dụng của những quy luất khách quan xác định, được hóa học tìm ra. Phạm trù ngẫu nhiên phản ánh những nhân tố thực tiễn xuất phát trực tiếp từ những điều kiện bên ngoài, từ những mối liên hệ bên ngoài, không ổn định và thứ yếu đối với một hiện tượng xác định. Ngẫu nhiên biểu lộ về cơ bản cái riêng biệt, không bản chất đối với một hiện tượng nhất định. Thí dụ, việc tạo thành một chất mới trong phản ứng hóa học bắt đầu bằng sự va chạm các phân tử của các chất ban đầu. Nhưng phân tử nào của một chất, phân tử thứ nhất, thứ ha hay thứ ba va chạm trước tiên với phân tử chất kia lại là một việc ngẫu nhiên. Có lẽ là những phân tử nào ở gần nhau nhất lúc pha trộn thì va chạm với nhau. Có nghĩa là nguyên nhân để va chạm thì có, nhưng nó không phải là chức đựng trong bản chất hóa học của các chất phản ứng, mà ở những hoàn cảnh bên ngoài bản chất đó (ở vị trí của những phân tử trong không gian, ở khoảng cách giữa chúng với nhau). Phản ứng hóa học xét về tổng thể, chiều hướng phát triển của nó là kết quả cuối cùng đã được qui định, và được xác định bởi các định luật hợp thức, hóa trị, cấu tạo hóa học. Có thể nói về ngẫu nhiên trong các phản ứng hóa học với ý nghĩa như thế nào? Trước hết, cần chú ý rằng biến đổi hóa học là sự tương tác của rất nhiều tiểu phân hóa học, tức là một hiện tượng tuân theo các qui luật thống kê. Cái đơn nhất trong quá trình này là từng tác dụng hóa học sơ cấp. Việc thực hiện tác dụng này phụ thuộc vào những đặc điểm riêng biệt của các tiểu phân hóa học va chạm với nhau, vào giá trị động năng của chúng. Động năng của các phân tử cùng loại có thể khác nhau, biểu hiện ra ở giá trị hàng rào năng lượng (năng lượng hoạt hóa) mà những phân tử này cần phải vướt qua để thực hiện tác dụng hóa học sơ cấp. Kết quả là tác dụng này có thể được hoàn thành sớm hơn hoặc chậm hơn so với thời gian tương tác của số đông các tiểu phân phản ứng. Với ý nghĩa này, tác dụng hóa học sơ cấp là ngẫu nhiên. Ta cũng biết rằng một số quá trình hóa học có thể xảy ra đồng thời theo một số hướng tạo ra các sản phẩm khác nhau. Thí dụ acid hipoclorơ không bền có thể có ba loại biến đổi : HClO à HCl + O 2HClO à H2O + Cl2O 3HClO à 2HCl + HClO2 Cả ba phản ứng này là tất nhiên. Chúng xảy ra do bản chất hóa học của HClO, tuân theo nhữnbg quy luật tương ứng về cấu tạo về thành phần của HClO. Nhưng tốc độ tương đối của các quá trình này phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiện. Nếu thay đổi các điều kiện có thể tiến tới làm cho sự biến đổi của axit hipoclorơ thực tế xảy ra theo một trong ba loại phản ứng. Dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời trực tiếp, sự phân hủy HClO hầu như chỉ xảy ra theo phản ứng loại thứ nhất. Phản ứng cũng xảy ra như vậy khi có mặt các chất có thể dễ dàng hóa hợp với oxi, hoặc khi có mặt một số chất xúc tác. Tuy nhiên khi có mặt những chất hút nước, sự phân hủy HClO xảy ra ưu tiên theo phản ứng loại thứ hai, tạo thành sản phẩm khí clo oxit Cl2O. Trong phản ứng như vậy số phận của từng phân tử riêng rẽ là ngẫu nhiên; phân tử này bị phân hủy theo một trong ba cách, tuỳ theo những đặc điểm riêng của nó. Có thể nhận xét thấy những hiện tượng tương tự ở vô số các thí dụ tạo thành các oxit. Ta biết rằng một loạt những đơn chất (N2, C, P, Fe …) tạo thành một vài hợp chất với oxi. Điều này là do cấu tạo, hóa trị, bản chất hóa học của chúng. Tuy nhiên khi tạo thành CO2 chẳng hạn thì những phân tử Cacbon riêng rẽ còn có thể tạo thành cả CO. Những quá trình đi chệch ra này phụ thuộc vào những đặc điểm của phân tử cacbon nào đó trong tập hợp các nguyên tử, là những hiện tượng đơn nhất, không đặc trưng, ngẫu nhiên ở những điều kiện nhất định. Dễ dàng nhận thấy rằng những sự ngẫu nhiên như vậy, những tác dụng hóa học sơ cấp đi chệch ra khỏi quá trình phản ứng chung theo qui luật thì gắn liền với phản ứng hóa học bằng cách này hay cách khác. Cái ngẫu nhiên do phản ứng hóa học gây ra thể hiện ra dưới dạng cụ thể này hay khác trong quá trình phản ứng đó. Do đó, ngẫu nhiên liên hệ bên trong với tất nhiên. Từ đó ta hiểu được nhận xét của Enghen là cái tất nhiên “vốn sẵn có bên trong cái sẵn có cả cái ngẫu nhiên”. Khi nghiên cứu mối liên hệ giữa cái tất nhiên và cái ngẫu nhiên cần đặc biệt nhấn mạnh ý nghĩa quan trọng của các điều kiện bên ngoài. Điều quan trọng nữa là cần thấy rằng ta sẽ phạm sai lầm nếu cho rằng cái tất nhiên chỉ là những mối liên hệ bên trong, bản chất, và cái ngẫu nhiên chỉ là do những mối liên hệ thứ yếu, bên ngoài. Không nên coi những mối liên hệ bên trong, bản chất của một chất, một quá trình hóa học như một cái gì hoàn toàn tách biệt và không phụ thuộc vào những mối liên hệ bên ngoài. Đó là một quan điểm siêu hình. Trong thực tế sự biến đổi hóa học chỉ xảy ra ở những điều kiện bên ngoài xác định, trong đó cả những điều kiện không đáng kể như kích thước, nguyên liệu và tình trạng của thành bình phản ứng cũng quan trọng. Nói cách khác, phản ứng xảy ra trong mối quan hệ tác động qua lại giữa các yếu tố bên ngoài với các yếu tố bên trong quy định bản chất hóa học của chất. Những điều kiện của phản ứng cũng là điều kiện quyết định để cái ngẫu nhiên chuyển thành cái tất nhiên và ngược lại. Như thấy được từ các thí dụ trên, tác dụng hóa học sơ cấp, đơn nhất là cái ngẫu nhiên trong quá trình phản ứng, thí dụ như sự tạo thành các phân tử CO riêng lẻ khi điều chế CO2, hoặc sự phân hủy các phân tử HClO riêng biệt theo cách phân hủy thứ ba, trong khi sự phân hủy phần lớn các phân tử của chất này phải xảy ra theo cách thứ nhất hoặc thứ hai ở các điều kiện nhất định. Trong những trường hợp này để cho cái ngẫu nhiên chuyển thành cái tất nhiên, cần phải có những điều kiện bên ngoài sao cho cái ngẫu nhiên thể hiện ra trước kia ở một tác dụng sơ cấp cá biệt trở thành có tính chất hàng loạt, trở thành tất yếu cho phần lớn các tiểu phân phản ứng. Tìm hiểu những điều kiện và quy luật chi phối tập hợp các tiểu phân đó có nghĩa là tìm ra cái tất nhiên, tức là sự chuyển hóa từ ngẫu nhiên thành tất nhiên. Dễ dàng quan niệm quá trình ngược lại. Như vậy cực tính của cái ngẫu nhiên và tất nhiên là tương đối. Những phạm trù này mặc dù đối lập với nhau nhưng lại gắn bó chặt chẽ với nhau, và chuyển hóa qua lại ở những điều kiện xác định. Bằng những tư liệu thực nghiệm, hóa học đã chứng minh rằng không có cái tất nhiên “thuần túy” …Cùng một hiện tượng có thể khi là tất nhiên, khi là ngẫu nhiên tùy theo những mối quan hệ, điều kiện và liên hệ khác nhau. Việc tìm hiểu mối quan hệ giữa cái ngẫu nhiên và cái tất nhiên cho phép tìm ra logic bên trong của sự phát triển khoa học hóa học. Thí dụ, ta đã biết rằng trước khi phát minh ra định luật tuần hoàn việc tìm ra mốt loạt các nguyên tố và những tính chất của chúng chỉ là những trường hợp ngẫu nhiên. Có thể nêu lên làm thí dụ điển hình việc nhà giả kim thuật Đantơ tìm ra photpho trong nước tiểu khi đang tìm kiến hòn đá triết học, và xuất phát từ quan niệm thần bí điều chế thuốc trường sinh. Ở chừng mực nhất định hiện tượng phóng xạ của các muối uran cũng được A.Beccơren tìm ra một cách ngẫu nhiên khi ông tìm cách chứng minh một quan niệm không đúng đắn là có mối lên hiện giữa hiện tượng phát quang của thủy tinh với các tia không nhìn thấy được phát ra trong ống catot. Tuy nhiên bằng cách nghiên cứu, tập hợp lại và hệ thống hóa những nguyên tố trong đó có cả những nguyên tố được tìm ra một cách ngẫu nhiên, Mendeleev đã tìm ra định luật tuần hoàn. Tính chất của các nguyên tố không còn thể hiện ra như là ngẫu nhiên nữa mà là tất nhiên. Phát minh ngẫu nhiên của Beccơren đã dẫn tới việc xác định cấu tạo phức tạp của nguyên tự, việc xây dựng lý thuyết về hạt nhân nguyên tử, việc tìm ra phản ứng hạt nhân dây chuyền phân chia uran cùng với học thuyết về các quá trình dây chuyền của Xêmênốp và Khinsenbud, và cuối cùng dẫn đến điều tất nhiên là lò phản ứng hạt nhân. Như vậy, dường như là trong quá trình phát triển của khoa học với những tiền đề và nhu cầu lý thuyết và thực tiễn xác định, mỗi phát kiến ngẫu nhiên đều gây ra một loạt biến cố tất nhiên. Điều này lại khẳng định một lần nữa tính không tách được của ngẫu nhiên và tất nhiên, mối liên hệ biện chứng giữa chúng với nhau. Nhân đây ta nên dừng lại ở luận điểm khá phổ biến cho rằng “Khoa học là kẻ thù của cái ngẫu nhiên”; người ta thường coi như câu này nêu lên sự đối kháng nhau giữa khoa học và ngẫu nhiên nói chung. Quan niệm như vậy cần phải được chính xác hóa ở chừng mực nhất định. Như ta đã biết mục đích quan trọng nhất của khoa học là tìm ra và nhận thức những quy luật của thế giới vật chất. Chính những quy luật này phản ánh những mối liên hệ lẫn nhau sâu xa, cơ bản, tất yếu của các hiện tượng. đứng trên quan điểm duy vật biện chứng, khoa học coi cái ngẫu nhiên là dạng thể hiện và sự bổ sung của cái tất nhiên. Tuyên bố rằng khoa học là kẻ thù của cái ngẫu nhiên có nghĩa là chỉ giới hạn nó ở nhiệm vụ nghiên cứu cái tất nhiên, tức là thu hẹp phạm vi nghiên cứu của khoa học. Như chúng ta đã biết những hiện tượng ngẫu nhiên tốn tại một cách khách quan, có nguyên nhân của chúng, và khi nghiên cứu chúng ta nhận thức được đầy đủ hơn, sâu sắc hơn thực tiễn. Khi tìm ra bản chất của các hiện tượng ngẫu nhiên, con người có thể sử dụng chúng làm lợi cho mình , bằng cách tránh đi, và loại trử đi những cái ngẫu nhiên không có ích. Chính vì vậy mà quan điểm : “Khoa học là kẻ thù của cái ngẫu nhiên” không thể phản ánh được toàn bộ mối quan hệ giữa khoa học và ngẫu nhiên, và không thể coi như là một quan điềm phương pháp luận tổng quát : chỉ có thể sự dụng câu nói này với ý nghĩa hẹp mà thôi. Có lẽ nên phân biệt mức độ và tính chất của cái ngẫu nhiên trong việc tìm ra các chất như đồ sứ và photpho, hoặc phẩm xanh inđigô, thủy tinh và thuốc súng. Đồ sứ và photpho được tìm ra hoàn toàn không ngờ, vì việc nghiên cứu được tiến hành nhằm mục đích hoàn toàn khác. Việc tìm ra một số phẩm nhuộm, thuốc nổ …vào thời cổ được thực hiện qua quá trình tỉm kiếm ít nhiều có mục đích, tuy nhiên việc tìm tòi này cũng mang tính chất thực nghiệm, tức là ở mức độ nhất định là hú họa, mò mẫm, không dựa vào lý thuyết khoa học. Do đó trong những phát minh này vẫn cỏn không ít yếu tố ngẫu nhiên. Ngày nay, trong giai đoạn mà ta đạt được nhiều thành tựu khoa học và kĩ thuật to lớn thì vai trò ngẫu nhiên có bị giảm sút không? Trong hóa học hữu cơ hiện đại ở lĩnh vực nghiên cứu sinh vật, tìm hiểu những điều bí mật nhất của vật chất ở các quy mô vi mô, vĩ mô và vũ trụ, ở mọi nơi có tiến hành khẩn trương việc nghiên cứu khoa học, thì khoa học cũng không loại trừ mà vẫn nghiên cứu cái ngẫu nhiên với tính cách là dạng thể hiện của cái tất nhiên. Việc Flêminh tìm ra pênixilin, và Nirenbec điều chế lần đầu tiên được anbumin nhân tạo năm 1961 là những thí dụ chứng minh cho điều đó. Nhưng tính chất của những sự ngẫu nhiên này hoàn toàn khác với sự tìm ra photpho, thuốc súng …Chúng xảy ra do những hoàn cảnh hoàn toàn bên ngoài, hình thành không ngờ, nhưng chúng được tiến hành trong quá trình tìm tòi khoa học có hướng, đó là việc nghiên cứu các vi sinh vật, tổng hợp các anbumin. Dựa trên lý thuyết đã được xây dựng, những phát minh này chẳng bao lâu cũng có thể được các nhà bác học khác thựcb hiện. Mọi đường lối khoa học đều dẫn đến điều đó. Việc quan niệm đúng đắn mối liên hệ qua lại giữa cái tất nhiên và cái ngẫu nhiên, vị trí và vai trò của chúng trong sự phát triển của các hiện tượng, là cơ sở của khoa học và thực tiễn. Tuy nhiên, vì cái tất nhiên chắc chắn sẽ xảy ra, còn cái ngẫu nhiên có thể có hay không có, nên trong hoạt động khoa học và sản xuất nhà hóa học buộc phải xuất phát từ những mối liên hệ và quan hệ tất nhiên, mà không thể đi theo những cơ hội ngẫu nhiên. Vì vậy, nhiệm vụ cơ bản của khoa học hóa học là việc nhận thức cái tất nhiên. CHƯƠNG III. VỀ KHẢ NĂNG THỰC TẾ VÀ KHẢ NĂNG TRỪU TƯỢNG TRONG HÓA HỌC Trong bản chất muôn hình muôn vẻ của một chất hóa học (hoặc hiện tượng hóa học) – là sự thống nhất giữa các mặc khác nhau nhất, của các khuynh hướng đối lập nhau - chứa đựng những khả năng không đồng nhất với nhau về tính chất và ý nghĩa. Chẳng hạn như khả năng thực tế và không có khả năng, không có khả năng là mặt đối lập với khả năng. Không có khả năng của một quá trình là điều không thể xảy ra được, là điều mâu thuẫn với những quy luật tồn tại khách quan của thế giới vật chất. Thí dụ không thể chế tạo được một perpetuum mobile, tức là một cái máy có thể thực hiện được một công mà không tiêu thụ một năng lượng thích ứng cho việc đó. Sự hiểu biết về phép biện chứng của khả năng thực tế và khả năng trừu tượng có ý nghĩa thực tiễn lớn lao đối với nhà hóa học. Nên để ý rằng một số nhà triết học đã đề nghị đúng đắn là nên gọi khả năng thực tế là khả năng cụ thể, và gọi điều đối lập với nó là khả năng trừu tượng, vì rằng khả năng trừu tượng này cũng có thể được thực hiện. Chúng ta không khước từ một thuật ngữ đã được quy định trong các sách báo về triết học, vì vậy ta sẽ dùng thuật ngữ khả năng thực tế (cụ thể) để nói về khả năng nào đã có được ở một thời điểm nhất định mọi điều kiện cần thiết để xảy ra. Chúng ta gọi khả năng nào mà ở một thời điểm nhất định không có những điều kiện tương ứng để thực hiện là khả năng trừu tượng. Từ đó ta thấy rằng ở những hoàn cảnh nhất định thì khả năng trừu tượng và khả năng thực tế chuyển hóa qua nhau. Để tác động có mục đích vào các quá trình tự nhiên, để làm những thí nghiệm biến hóa các chất, để tiến hành các phản ứng hóa học thì điều cực kì quan trọng là biết được cái gì là có khả năng và cái gì là không có khả năng; trong cái có khả năng đó thì cái gì là thực tế, và cái gì là trừu tượng ở những điều kiện cụ thể nhất định. Trong hóa học việc điều chế được các chất với những tính chất cần thiết từ những chất ban đầu xác định, việc thực hiện phản ứng này hay phản ứng khác trước hết là vấn đề khả năng. Bản thân khả năng tạo thành những chất hóa học mới đã vốn sẵn có ở sự tồn tại khách quan của dạng vận động hóa học của vật chất. Tuy nhiên, từ đó không nghĩa rằng bất kì chất hóa học nào cũng có thể điều chế được từ bất kì mọi chất ban đầu, rằng mọi phản ứng đều có khả năng xảy ra được. Hiển nhiên rằng không thể điều chế bằng phương pháp hóa học acid clohidric từ những chất không chứa hidro và clo. Làm như vậy sẽ mâu thuẫn với chính dạng vận động hóa học của vật chất, vì vậy ở đây không xảy ra sự chuyển hóa của nguyên tố này thành nguyên tố khác. Như vậy, khả năng điều chế được một chất nào đó được quy định một cách khách quan trước hết ở thành phần của các chất tham gia phản ứng. Đó là điều kiện cần, như chưa phải là điều kiện đủ. Ta có thể có thành phần vật chất thích ứng của các chất ban đầu, các chất này tiếp xúc với nhau, nhưng phản ứng hóa học vẫn không xảy ra. Thí dụ, trong không khí có nitơ (78% về thể tích) hidro và các chất khí khác trộn lẫn với oxi (21% về thể tích), nhưng các chất khí này thực tế không bị oxi hóa. Các phản ứng oxi hóa (sự cháy) của cacbon, lưu huỳnh và nhiều nguyên tố khác nữa có nhiều ở trạng thái tự do trên mặt đất cũng không xảy ra với một tốc độ đáng kể. Nhưng chỉ cần cung cấp thêm một xung lực, như đốt cháy than hoặc lưu huỳnh chẳng hạn thì phản ứng sẽ diễn ra. Nhiều kim loại (Fe, Cu, …) có thể tồn tại trong không khí khô bao lâu cũng được, nhưng trong khí quyển thì chúng bị oxi hóa ngay. Như vậy, việc thực hiện bất kì một phản ứng nào cũng phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Trước hết nó phụ thuộc vào bản chất của nguyên tử của các nguyên tố hóa học; bản chất này là do cấu tạo nguyên tử quy định. Ái lực hóa học, tính chất của liên kết hóa học giữa các nguyên tử trong phân tử, loại liên kết và độ bền của liên kết cũng phụ thuộc vào cấu tạo nguyên tử đó. Chính sự hiểu biết về tính chất mối liên kết cũng thường cho phép người ta phán đoán về khả năng xảy ra một phản ứng cụ thể này hay một phản ứng cụ thể khác. Thí dụ, một hợp chất như muối bectôlê thì có chứa oxi do đó có khả năng điều chế được oxi từ hợp chất nói trên. Ngay ở nhiệt độ 2000C kali clorat KClO3 đã phân rã giải phóng ra oxi. Rõ ràng là liên kết giữa clo và oxi trong phân tử muối bectôlê yếu (xét trên quan điểm hàng rào năng lượng). Liên kết được hình thành giữa clo mang một giá trị âm với nguyên tử kali bền vững hơn là trong trường hợp phân tử KClO3, lúc đó clo có hóa trị 5. Ngược lại việc điều chế oxi bằng cách đun nóng hợp chất như K2SO4 - một hợp chất cũng có chứa nguyên tử oxi – thì thực tế không thực hiện được. Ở đây liên kết giữa oxi với lưu huỳnh cực kì bền vững. Ở nhiệt độ rất cao chỉ xảy ra sự phân hủy nhiệt : K2SO4 à K2O + SO2 Như vậy, sự phong phú về khả năng của những biến hóa hóa học không những phụ thuộc vào thành phần vật chất của các hợp chất hóa học ban đầu, vào bản chất của những nguyên tử thành phần, mà còn phụ thuộc vào tính chất của liên kết giữa các nguyên tử và các điều kiện của phản ứng. Để giải quyết được cụ thể vấn đế về tính hiện thực hoặc tính trừu tượng của khả năng chuyển hóa hóa học này hay khả năng khác trong những điều kiện cụ thể xác định thì cần phải biết được những động lực của phản ứng và những yếu tố ngăn trở nó. Nhiệt động lực hóa học nghiên cứu việc giải thích trên tổng thể khả năng, chiều hướng và những giới hạn của sự tự diễn biến các quá trình hóa học. Dựa trên cơ sở định luật thứ hai của nhiệt động học người ta đã xây dựng học thuyết về cân bằng và thiết lập những hàm số trạng thái entropi (S), năng lượng tự do (F), thế đẳng nhiệt - đẳng áp (G), …Tuỳ theo sự thay đổi của những hàm số trạng thái này người ta xác định ảnh hưởng của những yếu tố đó đo được trực tiếp như nhiệt độ, áp suất, nồng độ lên trạng thái cân bằng. Các công trình của Gipxơ và Hembôn, Van Hốp và các nhà bác học khác đã giải quyết vấn đề về việc xác định khả năng của phản ứng hóa học và đã tính toán được định lượng độ đo khả năng này. Đại lượng G - tức là sự biến đổi của thế đảng nhiệt – đẳng áp – là độ đo khả năng tham gia tương tác hóa học của một chất, là độ đo khả năng tự điễn biến của một phản ứng theo một chiều hướng nhất định. “Khả năng thực hiện được về nguyên tắc của một quá trình được quy định bởi dấu của G : nếu như ở những điều kiện nhất định G0 thì phản ứng không thể thực hiện được; G=0 thì hệ ở trạng thái cân bằng” Như vậy các quá trình hóa học chỉ tự diễn biến được theo chiều làm giảm thế đẳng nhiệt - đẳng áp, giới hạn của sự diễn biến một quá trình như vậy là sự đạt tới giá trị cực tiểu Gt của hệ ở trong các điều kiện đã cho. Đây là một trong những cách phát biểu của định luật thứ hai của nhiệt động học áp dụng cho các quá trình hóa học. Cách phát biểu này nêu lên khả năng về nguyên tắc , chiều hướng và giới hạn của quá trình tự diễn biến của các phản ứng hóa học. Nhiệt động học hóa học cũng nêu lên các phương pháp tính toán đại lượng K và khám phá ra ý nghĩa sâu xa của khái niệm hằng số cân bằng K, hằng số này gắn liền với định luật tác dụng khối lượng và đặc trưng cho mức độ biến hóa các chất do phản ứng hóa học . Giá trị của đại lượng K rất quan trọng không những để phán đoán về chiều hướng xảy ra của phản ứng mà còn để định lượng các sản phẩm tạo thành. Nếu như đại lượng K có giá trị rất lớn, thì cân bằng của phản ứng chuyển về bên phải, tạo ra một lượng lớn các sản phẩm. Vì rằng khi K>>1 thì lúc cân bằng nồng độ của những sản phẩm của phản ứng lớn hơn rất nhiều nồng độ của những chất ban đầu, và về mặt nhiệt động thì những sản phẩm của phản ứng bền hơn so với những chất ban đầu trong cùng điều kiện. Ngược lại, đối với phản ứng 2CO2 à 2CO + O2 ở nhiệt độ t=25oC, hằng số cân bằng rất nhỏ. Điều này có nghĩa là mức độ chuyển hóa các chất ban đầu, hoặc sản lượng của những sản phẩm phản ứng lúc cân bằng rất không đáng kể, tức là cân bằng chuyển dịch về bên trái. Hoặc là ví dụ như hằng số cân bằng của phản ứng oxi hóa nitơ N2 + O2 à 2NO – 4314 cal ở nhiệt độ t=200oC thì bằng 1,2.10 -13. Điều này có nghĩa rằng ở nhiệt độ đã cho phản ứng hoàn toàn chuyển về bên trái, và lhông có NO được tạo thành. Chỉ trong hồ quang điện, ở nhiệt độ t=3000oC, khi mà K=8,6.10-13 thì nitơ oxit mới được tạo thành, và lúc đó mức độ chuyển hóa Nitơ N thành nitơ oxit NO mới chỉ đạt tới 3,57%. Dựa trên những dữ kiện nhiệt học (nhiệt dung và sự phụ thuộc của nhiệt dung vào nhiệt độ) và những dữ kiện nhiệt hóa học (Q của các phản ứng hóa học) người ta có thể tính trước G và K, và từ đó dự đoán trước khả năng về nguyên tắc (mà không có khả năng) và chiều hướng diễn biến của quá trình hóa học này hay quá trình hóa học khác mà không cần phải têín hành những thí nghiệm tốn kém và kéo dài. Đã có triển vọng điều khiển quá trình về mặt chất lượng và số lượng, giải quyết vấn đề về những điều kiện để thực hiện quá trình. Tuy nhiên, việc xác định khả năng về mặt nhiệt động học cũng còn chưa đủ để phán đoán về tính hiện thực của quá trình. “Nhiệt động học hóa học dự đoán chiều hướng xảy ra phản ứng và giai đoạn thiết lập Cân bằng hóa học. Một phản ứng nào đó có khả năng xảy ra một cách hợp thức lại không diễn ra trong thực tế có thể là do hoặc là cân bằng chuyển dịch mạnh về phía các chất ban đầu, hoặc là vận tốc của phản ứng cực kì nhỏ không xảy ra được. Nhiệt động học chỉ giải thích được khía cạnh thứ nhất. Nhiệt động học chỉ cho biết là một phản ứng đã cho có khả năng xảy ra hay không, mà không cho biết phản ứng đó có diễn ra trong thực tế hay không” Nếu chúng ta xem xét khả năng diễn ra phản ứng oxi hóa một vài chất khác nữa trong khí quyển oxi của không khí trên quan điểm ái lực hóa học, và chúng ta tính toán G cho những phản ứng đó, thì chúng ta thấy rõ rằng G<0. Vậy mà thực tế tất cả những phản ứng này không xảy ra. Điều này cho thấy rằng có những trở lực ngăn cản phản ứng, và cần phải loại bỏ chúng đi để thực hiện được phản ứng. CHƯƠNG IV. MỐI LIÊN HỆ GIỮA CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA CÁC CHẤT HÓA HỌC Ý nghĩa của cấu trúc các chất hóa học đối với sự nhận thức những tính chất và những sự biến hóa của chúng có một vai trò cực kì quan trọng. Bản thân khái niệm “cấu trúc” được thiết lập trong hóa học vào giữa thế kỉ XIX. Về mặt lịch sử, trước đó là việc xác định khái niệm nguyên tố , việc đưa vào phương pháp nghiên cứu định lượng, việc tìm ra một loạt các nguyên tố hóa học và xác định thành phần của nhiều chất. Sự tích lũy rất nhiều các tư liệu thực nghiệm đã dẫn tới việc phát minh ra định luật thành phần không đổi, định luật tỷ lệ bội số xác địng quan điểm về tính gián đoạn và xác lập khái niệm phân tử. Việc tìm ra sự đồng phân của các hợp chất hữu cơ đã trực tiếp chỉ ra rằng để giải thích được cần tìm hiểu cấu trúc của phân tử các chất đồng phân. Những thuyết đầu tiên trong hóa học hữu cơ là những cố gắng giải thích khả năng phản ứng và những tính chất khác của các chất hữu cơ xuất phát từ những đặc điểm cấu tạo. Thuyết cấu tạo của Butlerop đã giải quyết có kết quả nhiệm vụ này. Đó là học thuyết về cấu tạo hóa học của các hợp chất hữu cơ, xác định trật tự liên kết của các nguyên tử và các nhóm nguyên tử trong các phân tử, về sự tồn tại một trật tự xác định ở các mối liên kết giữa các nguyên tử và các nhóm nguyên tử và ảnh hưởng tương hổ giữa chúng với nhau. Như vậy, quan điểm cơ bản của thuyết Butlerop cho rằng cấu trúc của một chất hóa học trước hết là trật tự các mối liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử. Chính đó là nguyên nhân gây nên mọi tính chất vốn có của phân tử. Khi xác định mối liên quan chặt chẽ giữa cấu trúc và tính chất của một hợp chất hóa học, thuyết Butlerop đã mở ra con đường đẻ tìm hiểu cấu trúc bên trong của các phân tử, tiến hành tổng hợp hóa học có mục đích. Về nguyên tắc ta đã có thể tác dụng vào những tính chất hóa học của một chất bằng cách làm thay đổi cấu trúc của nó, và ngược lại, có thể xác định cấu tạo của một chất xuất phát từ những tính chất của nó. Sự phát triển những quan niệm về cấu trúc của các chất hóa học gắn liền với sự phát sinh hóa học lấp thể, với việc tìm ra nhiều dạng đồng phân lập thể. Vật lý học hiện đại đã xây dựng những phương pháp chính xác phân tích cấu trúc của các phân tử; đó là phép chụp tia X, và phương pháp nhiễu xạ electron. Dựa vào những phương pháp này kết hợp với các phương pháp thuần tuý hóa học nghiên cứu cấu trúc của các phân tử, ta vẽ được hình dạng các phân tử, xác địng kích thước và hình dáng của chúng. Thì ra “phân tử là một vật thể có hình dạng và kích thước hoàn toàn xác định, ta có thể và phải mô tả nó bằng những hình vẽ hình học; không phải lúc nào nó cũng có dạng hình cầu, hình dáng của nó liên quan chắt chẽ với cấu trúc hóa học”. Cũng rõ ràng là dạng hình học của phân tử được xác định một cách đơn giá, nếu như ta biết các đại lượng độ dài của liên kết và góc giữa các liên kết. Thí dụ phân tử nước gồm 3 nguyên tử H-O-H có dạng tam giác, chiều dài của mỗi liên kết O-H bằng 0.9584A, góc hóa trị của mỗi liên kết là 104o27’ Đường kính của các phân tử nước, tính bằng số Avogadro bằng 3A. Tính quy định như vậy sẵn có một cách khách quan ở phân tử của mọi chất. Có nghĩa là cấu trúc thể hiện ra như là sự phân bố trong không gian của các tiểu phân trong phân tử. Cấu trúc của một chất hoá học luôn luôn được quy định một cách cụ thể và được đặc trưng bởi những đại lượng được xác định một cách chính xác. Quan điểm của triết học khoa học, coi không gian như một dạng tồn tại phổ biến của vật chất được xác nhận một phần ở tính khác quan của cấu trúc phân tử của một chất hóa học, ở đặc điểm của sự sắp xếp trong không gian của các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử tạo thành phân tử. Khái niệm về cấu trúc của một chất hóa học, hoặc cấu tạo của nó cũng bao hàm cả tính chất hoặc cách liên kết các tiểu phân trong phân tử. Bởi vì không những thứ tự của các mối liên kết và sự phân bố trong không gian của các nguyên tử và nhóm nguyên tử mà cà cách liên kết của chúng (ion, cộng hoá trị, hidro, kim loại) đảm bảo cho sự tồn tại thất sự của một phân tử nhất định. Do đó, tính chất của liên kết hóa học cũng là một yếu tố cần thiết của cấu trúc của một chất hóa học. Vật lý học và hóa học hiện đại đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng tính cấu trúc của vật chất là một trong những thuộc tính phổ biến của nó. Cùng với không gian và thời gian, cầu trúc là một dạng tồn tại tất yếu của vật chất sống và không sống. Tương tự như tính quy định về lượng, cấu trúc của sự vật và hiện tượng gắn liền với các đặc điểm về chất lượng. Khái niệm cấu trúc, được khởi thảo trước tiên trong tự nhiên học và đặc biệt trong hóa học, được nghiên cứu hiện nay như là một phạm trù triết học. Triết học khoa học coi cấu trúc là mối liên hệ lẫn nhau ổn định, có tính quy luật, là sự phân bố các tiểu phân, các nguyên tố đặc trưng cho một tổ chức vật chất nhất định. Cấu trúc là khách quan bởi vì nó là một hệ thống các mối quan hệ của các nguyên tố, các thành phần của một tổng thể tồn tại thực sự; cấu trúc là tuyệt đối vì nó có ở mọi tổ chức vật chất không có một ngoại lệ nào; cấu trúc là có hạn, bởi vì nó bị giới hạn trong không gian và nó chỉ bao gồm một số nguyên tố, một số thành phần có hạn của một tổng thể; cấu trúc là đặc trưng bởi vì mỗi một đối tượng độc đáo về chất lượng thì được đặc trưng bởi một cấu tạo, một cấu trúc đặc biệt, chỉ riêng nó có. Xuất phát từ quan điểm cuối cùng vừa nêu trên ta rút ra mối liên hệ giữa cấu trúc và chất lượng, và do đó mối liên hệ giữa cấu trúc, chất lượng và tính chất; sự thống nhất hữu cơ, tổ hợp của chúng biểu lộ chất lượng. Tính chất là kết quả, là một hàm số xác định đặc trưng cho mọi vật thể và hiện tượng. Nhận thức đi từ tính chất đến cấu tạo cũng như từ hiện tượng tới bản chất, cũng như từ kết quả đến nguyên nhân. Trong quá trình nhận thức sự vật và hiện tượng sẽ đến một lúc mà tất cả tập hợp các tính chất được phát hiện ra ở một sự thống nhất nào đó, đó là một cấu trúc ổn định, xác định. Việc xác lập nên cấu trúc của các sự vật và hiện tượng do biết tính qui định lẫn nhau với các tính chất, đến lượt nó, lại tạo điều kiện để nhận thức được cái còn chư biết. Trong hóa học, định luật tuần hoàn phản ánh một cách sâu sắc nhất và nhiều mặt nhất mối liên hệ giữa cấu tạo nguyên tử và tính chất của các nguyên tố. Dưới ánh sáng của học thuyết hiện đại về cấu tạo chất, bản thân tính tuần hoàn của sự biến đổi các tính chất của nguyên tố được nghiên cứu với quan điểm cấu trúc điện tử và kích thước các nguyên tử. Cách phát biểu hiện đại của định luật tuần hoàn nói lên rằng tính chất của các đơn chất, và những tính chất và dạng hợp chất của các nguyên tố phụ thuộc tuần hoàn vào điện tích hạt nhân nguyên tử của các nguyên tố. Như vậy, số thứ tự, điện tích hạt nhân, hoặc số các electron trong nguyên tử là cơ sở để sắp xếp các nguyên tố trong bảng. Nói cách khác, số lượng và trật tự sắp xếp các electron trong nguyên tử (theo các mức năng lượng chính và phụ - các obitan), tức là cấu trúc của nó, là nguyên nhân thực sự của các tính chất hóa học và lý học của các nguyên tố, là nguyên nhân hợp quy luật của sự lặp lại các tính chất, của vị trí xác định của mọi nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn. Trong hóa học hiện đại người ta tiếp tục cố gắng xác lập những sự phụ thuộc có tính quy luật, cụ thể giữa cấu trúc và tính chất, đặc biết là sự phụ thuộc giữa cấu trúc của mỗt chất với mùi của nó, một tính chất hoàn toàn hóa học. Điều này có tầm quan trọng rất lớn đối với việc sản xuất các chất thơm, nước hoa trong công nghiệp hương phẩm. Cơ sở của vấn đề này là một khối lượng rất lớn các tư liệu thực nghiệm, tư liệu này cho thấy rõ ràng rằng “không nghi ngờ gì có sự phụ thuộc nhất định giữa mùi và cấu trúc hóa học” Người ta đã thiết lập được rằng sự có mặt của các nhóm gọi là sinh mùi : -OH, -CHO, -COOR, -R-OR, -CN, =N-N, =N-H, -NO2 ....trong thành phần phân tử của chất thơm là nguyên nhân gây ra mùi. Những nhóm này “là một trong những chức năng quy định tính chất của mùi. Bộ xương cơ sở của hợp chất cũang có tầm quan trọng không kém đối với tính chất của mùi. Rất nhiều thí nghiệm khác cũng cho thấy rằng những yếu tố ảnh hưởng đến mùi là : a). Hình dáng phân tử : Nhưng như người ta đã chứng minh hình dáng này liên hệ chặt chẽ với sự có mặt và cách xắp xểp các nguyên tử và nhóm nguyên tử trong phân tử, với tính chất của mối liên kết giữa chúng với nhau, tức là với cấu trúc hoặc cấu tạo hóa học. Trong đa số các trường hợp, những chất dẫn xuất khác nhau từ cùng một cấu trúc cơ sở của phân tử chất thơm thì có mùi tương tự. b). Sự thay đổi mối liên kết giữa các thành phần của tổng thể (là một yếu tố quan trọng của cấu trúc). Kiểu và dạng của mối liên kết ảnh hưởng đến khả năng phản ứng của chất, ảnh hưởng đến các tính chất lý học và hóa học của nó. Thí dụ việc đưa vào phân tử của chất thơm mối liên kết kép làm cho mùi nó tăng lên đáng kể. Trong nhiều trường hợp, mối liên kết axetilen (liên kết ba) dường như làm xuất hiện mùi ở những chất không có mùi, hoặc làm tăng mùi. c). Sự thay đổi cấu trúc bằng cách thơm hóa, tức là chuyển từ một chất có mạch hở thành hợp chất có mạch vòng với cùng một số nguyên tử cacbon trong phân tử, bằng cách đưa vào những gốc cacbua hidro xác địng cũng thường gây ra mùi. Thí dụ sự có mặt của butil bậc ba trong các sản phẩm xạ hương nhân tạo có ý nghĩa quyết định đối với mùi của xạ hương. Thứ tự thế trong nhân benzen có ý nghĩa lớn đối với mùi. Thí dụ, trong naphtalen, dãy thế bêta thường có mùi, và ngược lại dãy thế alpha không có mùi. Thí dụ bâta naptometil ête có mùi anh đào, còn alpha naptometil ête thì không có mùi. Tính có thể thế nhiều lần của nhân cũng ảnh hưởng đến sự xuất hiện mùi và làm tăng mùi. Benzen thế ba lần thường có mùi được tăng lên nhiều nhất. Một tính chất quan trọng khác của chất đối với thực tiễn là màu sắc của nó cũng có liên hệ với cấu trúc của nó. Ta biết rằng màu là do vật thể hấp thụ có chọn lọc một số ánh sáng có độ dài sóng nhất định trong phần quang phổ nhìn thấy được. Do đó màu sắc hiện ra khi vật thể được chiếu sáng, và màu của nó tương ứng với màu của ánh sáng bị phản chiếu. Thí dụ, như vật thể hấp thụ mọi tia sáng, từ tia màu đỏ thì thể hiện ra có màu đỏ. Ngược lại khi vật thể chỉ hấp thục phần đỏ của quang phổ thì tất cả những tia còn lại bị nó phản chiếu sẽ tạo ra cảm giác màu xanh. Nguyên nhân của việc vật thể hấp thụ có chọn lọc ánh sáng có độ dài sóng xác định là ở đâu? Theo quan điểm hóa học, màu sắc của một chất là do những đặc điểm cấu tạo phân tử của nó. Theo một trong những thuyến về màu sắc (thuyết về nhóm mang màu của nhà bác học Đức O.Vit 1876) màu sắc hiện ra (đối với những chất không màu), và tăng thêm (đối với những chất có màu nhạt) khi đưa vào phân tử của nó những nhóm nguyên tử xác định - gọi là nhóm mang màu, như là NO2, -CH=CH-, -N=N-,v.v… Sau này người ta xác định rằng đưa vào thành phần chất sinh màu (chất sinh ra màu, chứa nhóm mang màu) một vài nhóm khác, gọi là nhóm trợ màu –OH, -NH2 v.v…thì làm cho ,màu sẫm hơn nữa, và làm cho chất đó có tính chất nhuộm màu. Thuyết về nhóm mang màu được bổ sung thêm bằng thuyết quinoit (M.Nenxki và nhà hóa học người Anh G.Amstrong, 1888); theo thuyết này tất cả những chất nhuộm màu đều phải có cấu tạo quinoit. Tuy nhiên có nhiều hiện tượng không phù hợp với lý thuyết này. Ngoài ra thuyết về nhóm mang màu và thuyết quinoit liên hện cấu tạo của một chất với sự hất thụ màu sắc đã không giải thích được bản chất lý học của điều đó. Nhà hóa học Xô Viết V.A.Udomaixki khi nghiên cứu quang phổ và tính chất hóa học của các hệ liên hợp năm 1913-1919, đã đi đấn kết luận rằng màu sắc của các chất gằn liền với sự dịch chuyển cấu tạo electron tinh vi của chúng. Trên cơ sở này ông nêu lên một cách xxếp loại mới các nhóm mang màu và hệ thống các nhóm đó. Do đó, sự dịch chuyển các electron hóa trị và sự phân bố lại mật độ của đám mây electron giữa các nhóm mang màu quy định màu sắc, nói cách khác, rút cuộc màu sắc là do trạng thái của các electron trong phân tử gây ra. Chính những electron bị dịch chuyển, và tất nhiên đó là những electron ngoài cùng (hóa trị) tham gia vào việc hấp thụ ánh sáng. Nhưng sự dịch chuyển các electron, sự thay đổi trong việc phân bố mật độ electron có ý nghĩa là có sự phân cực các phân tử. Những phân tử của các chất chứa một mạch những mối liên kết đôi liên hợp (tức những electron pi) thì bị phân cực dễ dàng. Mạch liên kết này càng dài, thì những electron pi càng linh động, năng lượng cần thiết để chuyển electron đếnhn mức năng lượng cao càng ít, khi đó sự hấp thụ quang phổ ở cùng sóng dài càng lớn, và màu của chất càng sẫm. Như vậy, bằng cách thay đổi cấu tạo hóa học của phân tử của chất, bằng cách đưa vào những chất thế nhất định, và thay đổi cả thứ tự thế trong nhân benzen, bằng cách làm tăng dãy các mối liên kết đôi liên hợp, thơm hóa…nhà hóa học đã tác động có mục đích lên tính chất của các sản phẩm thu được. Dễ dàng nhận thấy rằng việc biến đổi tính chất của các chất hóa học xảy ra do thay đổi cấu trúc của chúng gắn liền với sự thay đổi một loạt những đặc tính về lượng (số vòng, các chất thế, độ dài của mạch các liên kết đôi liên hợp …) Ảnh hưởng của cấu trúc của chất đến các tính chất của nó thể hiện rất rõ rệt trong hóa học các chất polime. Đại phân tử chất polime mềm dẻo và dài có thể có rất nhiều hình dạng trong không gian (không phá vỡ liên kết Van de Van của các polime) như vòng xoắn ốc, cuộn xoắn …) Điều này có ảnh hưởng đến tương tác của nó đến các phân tử khác, có nghĩa là có ảnh hưởng đến tính chất của các polime. Những đại phân tử của các polime đồng phân lập thể thì có nhiều cấu hình không gian khác nhau. Thí dụ ta bít được ba loại cấu tạo 3 loại phân tử poliolefin : - Tất cả những chất thế ở cùng một phía của mặt phẳng của mạch và thứ tự phân bố các nhóm này trong các mắc xích mô-nô-me là như nhau; đó là cấu trúc izôtactric. - Những chất thế được phân bố lần lượt ở trên và dưới mặt phẳng của mạch chính; đó là cấu trúc xinđêôtactric. - Những chất thế được phân bố lộn xộn : đó là cấu trúc atactic. - Những poliôlêfin có một trong các cấu trúc đó thì thể hiện những tính chất khác nhau rõ rệt. I.P.Lôxep và E.B.Trôxtianxkaia đã viết : “những đồng phân lập thể polime khác nhau đáng kể về các tính chất lý học và cơ học. Khả năng kết tinh, nhiệt độ nóng chảy của các polime, tính hòa tan, tính đàn hồi, độ rắn, giới hạn bền vững khi bị căng khác nhau rõ rệt”. Tư liệu thực nghiệm phong phú của hóa học cho ta cơ sở đầy đủ để cho rằng cấu trúc và những sự thay đổi về cấu trúc đối với chất lượng cũng có vai trò như là số lượng. Qua phép biện chứng của phạm trù cấu trúc – tính chất trong hóa học, cơ chế của những sự thay đổi về chất lượng được nêu lên sâu sắc hơn và cụ thể hơn. Lẽ tự nhiên, điều này đề xuất ra một vấn đền khác, vấn đề phép biện chứng của số lượng - chất kượng - cấu trúc, mà những nhà triết học Nga đã nghiên cứu. KẾT LUẬN Qua quá trình nghiên cứu ta có thể rút ra những kết luận sau : Trên cơ sở những kiến thức về bản chất, ta có khả năng giải thích, đào sâu, và chính xác hóa những hiện tượng đã biết, và tìm ra, đoán trước những hiện tượng mới, tính chân thực của chúng, tức là tính đúng đắn của nhận thức về bản chất được chứng minh và khẳng định bằng thực nghiệm, bằng thí nghiệm hóa học. Con đường phát triển các nhận thức khoa học như vậy là hợp quy luật chung của mọi quá trình nhận thức. Việc các nhà khoa học nghiên cứu và tuân theo tính quy luật này có ý nghĩa phương pháp luận vô cùng to lớn, vì nó chỉ ra cho nhà hóa học con đường khoa học đúng đắn duy nhất cần phải theo khi nghiên cứu các chất và các hiện tượng hóa học để đặt nền móng cho các khái niệm và quan điểm lý thuyết. Việc nhận thức được bản chất của các đối tượng hóa học có nhiều mặt. Nó gắn liền với việc tìm ra hang loạt những nhân tố tạo nên nó, với việc nghiên cứu một loạt những phạm trù phản ánh những mối quan hệ khách quan như những mặt bên trong của đối tượng, những mối quan hệ bên ngoài của đối tượng. Về mặt này các phạm trù “tất nhiên” và “ngẫu nhiên” có ý nghĩa to lớn đối với nhà hóa học. Phép biện chứng duy vật trang bị cho nhà nghiên cứu những luận điểm chung về khả năng và hiện thực, cách giải quyết trên nguyên tắc vấn đề về biện chứng của khả năng trừu tượng và khả năng thực tế về những cách chuyển từ khả năng thành hiện thực. Tuy nhiên dựa trên những nguyên lý này ta chỉ có được cách giải quyết cụ thể vấn đề có khả năng hoặc không khả năng và những đặc điểm của nó trong một quá trình hóa học nhất định, về những điều kiện riêng biệt cần tạo ra để chuyển từ khả năng trừu tượng thành khả năng thực tế và sau đó thành hiện thực bằng cách xem xét nghiên cứu và tính toán những nhân tố hóa học của phản ứng với những phương pháp đặc biệt dựa trên những lý thuyết và định luật của hóa học. Chỉ kết hợp những nguyên lý triết học chung với những tư liệu cụ thể của khoa học hóa học một cách có ý thức như vậy mới đảm bảo cho hoạt động thực tiễn của nhà hóa học đạt được kết quả. Như vậy trong quá trình phát tiển của khoa học tự nhiên đã nảy sinh ra những vấn đền triết học mới, tư liệu thực nghiệm được tích lũy lại để thiết lập những phạm trù triết học mớt tạo cơ sở để tìm hiểu sâu hơn, phát triển xa hơn những quy luật của phép biện chứng. TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình triết học Mác – Lênin – Nhà xuất bản chính trị quốc gia. Những vấn đề triết học của hóa học – N.A.BUDRÂYKO – Nhà xuất bản giáo dục 1979