Tại sao những giả thuyết về hóa trị trong hóa học hữu cơ, trái với hóa học vô cơ, vẫn được duy trì cho đến ngày nay?
Giả thuyết đầu tiên về hóa trị được trình bày trong định luật đương lượng, theo đó một phần khối lượng của một nguyên tố trong hợp chất có thể được thay thế bằng một lượng tương đương xác định của nguyên tố khác.
Trong những năm 50 của thế kỷ XIX, William Odling (cùng với các nhà hóa học khác) phát hiện rằng khái niệm đương lượng không chỉ áp dụng cho các nguyên tố mà còn cho cả các gốc hữu cơ. Ông chỉ ra rằng hydrocarbon “chứa bao nhiêu gốc phức tạp thì chứa bấy nhiêu nguyên tử hydro”. Ví dụ, CH₄ chứa gốc đơn bazơ metyl, gốc diaxit metylen,…
Năm 1849, nhà hóa học hữu cơ người Anh Edward Frankland (1825–1899) đã cố gắng tách các gốc hữu cơ ở dạng tự do, đồng thời nghiên cứu sự tạo thành các hợp chất cơ kim (chứa kẽm hoặc chì). Ông nhận thấy rằng các nguyên tử kim loại khác nhau liên kết với số lượng gốc hữu cơ khác nhau. Từ đó, ông kết luận rằng tồn tại một “lực tương tác” đặc trưng cho mỗi nguyên tố, và giá trị của lực này có thể biểu diễn bằng các số nguyên.
Khi nghiên cứu các hợp chất hữu cơ chứa N, P, As, Sb, ông nhận thấy rằng số nguyên tử liên kết với nguyên tử trung tâm thường là 3 hoặc 5.
Phát triển lý thuyết kiểu của Gérard, nhà hóa học người Đức A. Kekulé (1856–1858) đi đến kết luận rằng tồn tại một dạng hợp chất hữu cơ mới. Ông chia các nguyên tố thành các nhóm theo “khả năng liên kết”:
- Một hóa trị: H, Cl, Br, K
- Hai hóa trị: O, S
- Ba hóa trị: N, P, As
- Bốn hóa trị: C
Kekulé kết luận rằng trong các hợp chất đơn giản nhất, nguyên tử carbon luôn liên kết với bốn nguyên tử khác (hoặc các tổ hợp tương đương), nghĩa là cacbon có hóa trị bốn. Sau khoảng 10 năm, thuật ngữ “nguyên tử số” được thay thế bằng thuật ngữ “hóa trị”.
Kekulé Friedrich (1829–1896), nhà hóa học người Đức, có những đóng góp quan trọng cho hóa học lý thuyết. Ông là một trong những người đầu tiên chỉ ra khả năng các nguyên tử cacbon liên kết với nhau, tạo thành mạch. Năm 1858, ông chứng minh rằng cấu trúc hợp chất phụ thuộc vào hóa trị của các nguyên tố, trong đó cacbon có hóa trị bốn. Năm 1865, ông đề xuất công thức vòng để giải thích cấu trúc của benzen.
Từ đó, hóa trị được hiểu là số nguyên tử hydro (hoặc nguyên tử tương đương hydro) mà một nguyên tử của nguyên tố có thể liên kết hoặc thay thế. Thuyết hóa trị cho phép mô tả cấu trúc phân tử dưới dạng công thức cấu tạo. Một thành công lớn của thuyết Kekulé là mô tả cấu trúc phân tử benzen dưới dạng vòng sáu cạnh với các liên kết tương đương.
Thuyết hóa trị không chỉ mô tả tốt các chất hữu cơ đã biết mà còn cho phép dự đoán những chất chưa được điều chế và định hướng cho việc tổng hợp chúng.
Cùng thời gian với Kekulé, lý thuyết hóa học hữu cơ cũng được phát triển bởi nhà hóa học người Scotland Archibald Scott Couper (1831–1892). Năm 1858, ông công bố bài báo “Về một lý thuyết hóa học mới”, trong đó bác bỏ lý thuyết kiểu của Gérard. Ông cho rằng sự đa dạng của hóa học hữu cơ có thể được giải thích bằng khả năng của carbon liên kết với số lượng khác nhau các nguyên tử và khả năng các nguyên tử carbon liên kết với nhau. Couper đã thử xây dựng công thức cấu tạo cho các chất hữu cơ, nhưng chưa xác định được rõ thứ tự liên kết giữa các nguyên tử dựa trên tính chất hóa học.
Câu hỏi:
- Theo quy tắc của Laurent, tổng số nguyên tử của các nguyên tố có hóa trị lẻ trong một hợp chất hữu cơ phải là số chẵn. Có thể giải thích điều này như thế nào theo quan điểm thuyết liên kết hiện đại?
- Khái niệm hóa trị đã thay đổi như thế nào trong nửa cuối thế kỷ XIX và thế kỷ XX?