Tại sao trong hóa học không thể xây dựng một lý thuyết khoa học mà chỉ dựa trên sự biểu diễn định tính ?
Một thời gian dài vật lý bị bó hẹp trong lĩnh vực cơ học, để nghiên cứu nó người ta sử dụng chủ yếu là phương pháp định lượng. Trong khi đó để mô tả các đối tượng và các hiện tượng trong hóa học họ lại sử dụng phương pháp định tính. Việc sử dụng phương pháp nghiên cứu định lượng, mà trước tiên phép cân đã trở thành một bước đi đầu tiên để hóa học trở thành môn khoa học thực sự.
1. Lý thuyết Fogiston (Thuyết về sự cháy)
Dụng cụ nào, ngoài trọng lượng có thể được sử dụng cho các phép đo trong hóa học trong thế kỷ XVII?
Cho đến giữa thế kỷ XVII các nhà khoa học tự nhiên chưa dành sự quan tâm cần thiết cho việc phân tích hóa học mà chỉ hạn chế trong việc phân tích khảo nghiệm kim loại và một vài hợp chất. Robert Boyle xem hóa học “không giống như bác sĩ, không phải là một nhà giả kim thuật, mà cần xem nó như là một triết gia”, không chỉ sử dụng một cách hệ thống vài phản ứng để nhận biết các chất, mà còn cần nghiên cứu định lượng các phản ứng hóa học. Do ảnh hưởng của truyền thống giả kim thuật, Boyle đã nghiên cứu hiện tượng của quá trình đốt cháy, nung kim loại và quá trình hô hấp. Ông nhận thấy rằng khi đốt cháy các chất hữu luôn luôn tạo thành nước. Ngoài ra, bằng cách sử dụng phép cân đong, ông đã chỉ ra rằng khi nung kim loại dẫn đến làm tăng khối lượng. Hiện tượng này đã đưa ông đến với ý tưởng về sự tồn tại của các “hạt lửa”, có vẻ như tham gia vào quá trình oxy hóa một thành phần nào đó của không khí. Nhiều nhà nghiên cứu khác đã không đồng ý với quan điểm của Boyle, trong đó có cả Lomonosov, người giả định sự tồn tại của “các hạt không khí.”
Chú thích : Georg Ernst Stahl (1659-1734) – nhà hóa học và bác sĩ người Đức, là một bác sĩ của vua Prussia. Trong thời gian 22 năm làm công tác giảng dạy ông đã đào tạo được rất nhiều học trò, những người mà sau này trở thành những tuyên truyền viên thuyết nhiệt tố của họ.
Vào giai đoạn thế kỷ XVII-XVIII học thuyết hóa học đầu tiên đã xuất hiện – thuyết nhiệt tố (phlogiston theory). Nhà hóa học Đức và bác sĩ Johann Joachim Becher (1635-1682) đã để ý đến sự biến đổi khối lượng kim loại và các chất khác khi bị nung nóng. Trong cuốn sách “Vật lý ngầm”, được xuất bản năm 1669, ông đã trình bày quan điểm rằng tất cả khoáng chất (bao gồm cả kim loại) bao gồm ba loại “đất” khác nhau là: dạng thủy tinh, dạng cháy (hoặc chất béo) và dạng dễ bay hơi (hay thủy ngân). Becher kết luận rằng kim loại trong quá trình nung và chất cháy trong quá trình cháy làm mất “đất cháy”.
Quan điểm của Becher là cơ sở cho sự ra đời lý thuyết nhiệt tố, những luận điểm cơ bản nó được xây dựng bởi nhà khoa học Đức E.Stahl. Thuyết nhiệt tố dùng để để giải thích quá trình cháy và quá trình oxy hóa. Theo lý thuyết này, tất cả các chất đều chứa nhiệt tố (Từ tiếng Hy Lạp “Flogistos” – dễ cháy), nhiệt tố này sẽ bị mất khi cháy và nung nóng. Ví dụ, các kim loại khi bị nung nóng sẽ nhường nhiệt tố, và chuyển thành oxit, còn khi thêm vào quặng một lượng nhiệt tố từ than sẽ thu chất chưa bị ôxy hóa – đó là kim loại. Bởi vì quá trình ôxy hóa một chất khối lượng của sản phẩm lớn hơn khối lượng chất bị oxy hóa, nên nhiệt tố (phlogiston) được bổ chính thêm là “khối lượng âm”. Người ta cho rằng, nhiệt tố là tồn tại với tư cách là một dạng vật chất chỉ khi nào nó được kết hợp với các chất khác trong những vật phức tạp, còn khi nung nóng những vật thể này nó được biểu hiện dưới dạng lửa. Nhiều nhà hóa học đã cố thử tách nhiệt tố tự do.
Những người ủng hộ lý thuyết của nhiệt tố gọi các oxit kim loại là những nguyên tố, xem chúng giống như kim loại không có nhiệt tố. Trái lại, kim loại được coi là hợp chất của các nguyên tố (các oxit kim loại) với nhiệt tố. Vì vậy, phản ứng oxy hóa là sự mất đi nhiệt tố, và phản ứng khử – chính là sự thu nhận nhiệt tố. Sự đơn giản của lý thuyết này giúp cho việc giảng dạy hóa học trong các trường đại học được dễ dàng, góp phần không nhỏ trong việc phổ biến nó ra trong giới khoa học.
Câu hỏi :
1. Điều gì thể giải thích sự phổ biến của lý thuyết của nhiệt tố?
2. Giống như thuyết Nhiệt tố đã ảnh hưởng đến sự phát triển của hóa học như thế nào?
3. Hãy xem xét quan điểm của Boyle. Trong đó cái gì đúng và cái gì sai?
2. Lý thuyết Oxy
Cái gì liên kết các quá trình nung kim loại ,quá trình cháy và hô hấp?
Theo thời gian, lý thuyết nhiệt tố không còn đúng trong mối liên hệ với kết quả thực nghiệm về tỉ lệ các chất tham gia vào các phản ứng hóa học. Các nhà hóa học bắt đầu chú ý đến vai trò của không khí trong quá trình nung kim loại ,quá trình cháy và hô hấp.
Những nhà bác học xuất sắc của thế kỷ XVIII là Lomonosov và Lavuaze đã bắt đầu sự nghiệp khoa học của mình trong thời kỳ hoàng kim của lý thuyết nhiệt tố. Vì vậy không có gì đáng ngạc nhiên là một trong những nhiệm vụ trước mắt mà họ đặt ra đó là làm rõ yếu tố tự nhiên và nghiên cứu tính chất của những vật liệu phát nhiệt bí ẩn.
Lomonosov đã cho rằng nhiệt tố không phải là 1 chất lỏng không có khối lượng hay là 1 chất khí nào đó với khối lượng âm, mà coi nó như là một vật chất cụ thể. Ông so sánh nhiệt tố với hydro và chỉ ra rằng : “khi hòa tan 1 thứ gì đó, ví dụ như kim loại, đặc biệt là sắt ở trong các loại rượu có tính axit thì từ trong bình chứa thoát ra qua các khe hở 1 loại hơi dễ cháy, mà 1 số ý kiến khác cho rằng nó giống như nhiệt tố”. Năm 1756. Lomonosov làm lại thí nghiệm nung kim loại của Boyle. Tuy nhiên, khác với Boyle, ông thực hiện chúng trong 1 bình kín. Và ông đi đến kết luận rằng: “Robert Boyle đã sai, nếu không có khối lượng của không khí bên ngoài thì khối lượng của kim loại bị nung trong hệ kín không hề thay đổi”
Những thí nghiệm này là bằng chứng thực nghiệm đầu tiên xác nhận không chỉ vai trò của không khí trong quá trình cháy, mà còn sự bảo toàn khối lượng của các chất trong các phản ứng hóa học. Trên cơ sở thực nghiệm của Lomonosov, ông đi đến kết luận rằng : “Tất cả mọi biến đổi xảy ra trong tự nhiên, bản chất của trạng thái, là vật chất không tự sinh ra và cũng không tự mất đi, nó chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác”.
Một trong những người sáng lập của hóa học cổ điển, dựa trên phương pháp nghiên cứu định lượng, Lavuaze là người đầu tiên chứng minh rằng khối lượng của các sản phẩm cháy của lưu huỳnh và phốt pho lớn hơn khối lượng của vật chất bị đốt cháy, và thể tích của không khí, dùng để đốt cháy phốt pho giảm 1 phần năm. Bằng cách nung nóng thủy ngân với một thể tích không khí nhất định, Lavuaze nhận được “gỉ sắt thủy ngân” (thủy ngân oxit), và “không khí ngột ngạt” (Nitơ), không thích hợp cho quá trình đốt cháy và hô hấp. Khi nung nóng gỉ sắt thủy ngân, nó sẽ bị phân hủy thành thủy ngân, và “không khí của sự sống “(oxy).
Nhiều thí nghiệm về quá trình đốt cháy các chất khác nhau, nghiên cứu việc nung kim loại và hô hấp, Lavuaze tin rằng với tất cả các quá trình trên đều cần oxy. Lavuaze bằng thí nghiệm của mình đã cho thấy sự phức tạp của không khí và lần đầu tiên giải thích một cách chính xác hiện tượng của quá trình cháy và nung là quá trình kết hợp của các chất với oxy. K. Priestley, J. Scheele và các nhà tự nhiên học khác, những người đã tìm ra oxy trước cả Lavuaze đã không thể làm được điều này.
Lavuaze đã chứng minh rằng khí carbon dioxit (CO2) – là hợp chất của oxy với “than” (carbon), còn nước – là hợp chất của oxy với hydro. Trên các thực nghiệm ông đã chứng minh rằng khi hô hấp sẽ hấp thụ oxy và carbon dioxit được hình thành, nghĩa là quá trình hô hấp là tương tự như quá trình đốt cháy. Hơn nữa, Lavuaze cho rằng sự hình thành carbon dioxit khi hô hấp là nguồn gốc của “Nhiệt động vật ” và là một trong những nỗ lực đầu tiên để giải thích bản chất hóa học quá trình sinh lý phức tạp xảy ra trong cơ thể sống.
Như vậy, theo Lavuaze, thuyết nhiệt tố không phù hợp với các kết quả thực nghiệm và nó cần được loại bỏ. Trong một bài báo có tựa đề “Những cân nhắc về nhiệt tố”, xuất bản năm 1783, ông đã viết: “Nếu trong hóa học tất cả mọi thứ được giải thích một cách tương đối mà không có sự giúp đỡ của nhiệt tố, thì điều đó có nghĩa khả năng rất lớn là ngay từ đầu đã không tồn tại và nó là 1 chất giả định không có cơ sở. ”
Lavuaze đã trình bày 1 cách rõ ràng định luật bảo toàn khối lượng: “Trong mọi phép tính toán thì lượng vật chất trước và sau khi thí nghiệm không thay đổi”. Ông mô tả đầy đủ quá trình đốt cháy, chú ý các đặc điểm của “vật chất sáng” (ánh sáng), sự cần thiết của “không khí sạch”(oxy), sự phá hủy của “không khí sạch” và sự tăng khối lượng của vật bị đốt cháy đó chính là khối lượng của không khí bị hấp thụ.
Ngoài ra, Lavuaze quan sát thấy rằng “khi bất kì vật cháy nào bị đốt cháy đều biến thành axit… vì vậy nếu đốt lưu huỳnh dưới một cái phễu, sản phẩm đốt cháy là sulfuric axit “. Dựa trên những quan sát này, Lavuaze đưa ra lý thuyết axit , theo đó chúng được tạo thành bằng cách liên kết các chất dễ cháy và oxy (do đó tên gọi của nguyên tố này được đề xuất bởi Lavuaze). Khác với lý thuyết oxy cháy, lý thuyết oxit axit không phù hợp với nhiều trường hợp đã biết. Để giải thích lý do tại sao axit clohydric được hình thành mà không có sự tham gia của oxy, Lavuaze đã phải thừa nhận rằng trong axit clohydric có chứa một thể đặc biệt đơn giản – mury – nằm trong trạng thái oxy hóa (Vì vậy, tên gọi axit hydrochloric lấy theo tên axit murievoy của các dược sĩ). Mâu thuẫn với lý thuyết axit của Lavuaze còn có thể kể ra là quá trình đốt cháy hydro tạo ra nước chứ không phải một axit nào khác. Đây cũng là vấn đề thường có trong các Đề thi ĐGNL vào các trường.
Lavuaze cho rằng “tất cả các chất mà chúng ta chưa thể phân hủy với bất kỳ cách nào, được coi là những nguyên tố hóa học”. Theo ông, các chất được coi là đơn chất, có thể cấu tạo “từ hai hạt hoặc nhiều hơn”, nhưng không được coi là hợp chất “cho đến khi những thí nghiệm hoặc quan sát không chứng minh cho chúng ta điều đó”. Trong bảng những đơn chất cơ bản của mình, ông sắp xếp đặc tính hóa học của chúng và sản phẩm của quá trình oxy hóa.
Trong những năm 1786-1787. Lavuaze, cùng với các nhà hóa học của Pháp đã phát triển bản thảo đầu tiên của danh pháp hóa học thay thế việc lấy tên thừa hưởng từ giả kim thuật một cách ngẫu nhiên (thường thấy hơn) tên của các hợp chất hóa học. Các danh pháp hóa học mới đã được chấp nhận rộng rãi.
Câu hỏi:
1. Lomonosov đã viết rằng “các thí nghiệm để tăng trọng lượng khi tác dụng của lửa dẫn tới điều đó, hoặc của ngọn lửa đốt cháy vật chất, hoặc một phần của không khí trong trong khi đi qua dưới vật chất nung. ” Những thí nghiệm nào là cần thiết để làm cho sự lựa chọn chính xác của một trong hai phát biểu này?
2. Tại sao các ưu tiên trong việc khám phá ra oxy thường được gán cho Lavuaze, mặc dù khí này đã được phát hiện trước đó?
3. Quan điểm của Lavuaze:
a) phù hợp với ngày nay
b) chỉ đúng với thời kỳ trước kia
c) là sai?