Ruột bút chì và chiếc nhẫn kim cương trông như hai vật hoàn toàn khác nhau. Một thứ dễ bị mài mòn khi cọ lên giấy, còn thứ kia được xem là vật chất tự nhiên cứng nhất thế giới. Thế nhưng, điều đáng ngạc nhiên là các nguyên tử cấu tạo nên cả hai chất đều là carbon. Trong hóa học, hiện tượng cùng một thành phần tạo nên những tính chất khác biệt đến vậy được gọi bằng một cái tên. Đó chính là “dạng thù hình (Allotrope)”.
Nói một cách đơn giản, dạng thù hình là “những chất chỉ được tạo thành từ một nguyên tố nhưng có tính chất khác nhau do cách các nguyên tử liên kết và sắp xếp khác nhau”. Dù cùng một loại nguyên tố, cách xếp và nối các nguyên tử có thể khiến màu sắc, độ cứng, khả năng dẫn điện và cả khả năng phản ứng khác nhau rất nhiều.
Tài liệu này trình bày một cách dễ hiểu từ định nghĩa và nguyên lý hình thành dạng thù hình đến những diện mạo khác nhau của carbon, các ví dụ về oxy, phosphor và thiếc, cùng những góc nhìn giúp hiểu về dạng thù hình.
Nguyên lý và các ví dụ tiêu biểu về dạng thù hình
Dạng thù hình là gì?
Dạng thù hình xuất hiện khi một nguyên tố có thể tồn tại ở hai hay nhiều cấu trúc. Khi số nguyên tử lân cận mà mỗi nguyên tử liên kết với thay đổi, các liên kết trải rộng trên mặt phẳng hay nối thành cấu trúc không gian khác nhau, hoặc số nguyên tử trong một phân tử khác nhau, chúng sẽ biểu hiện như những chất hoàn toàn khác biệt.
- Cách liên kết (Bonding): Chỉ số liên kết mà một nguyên tử tạo với các nguyên tử lân cận.
- Cấu trúc tinh thể (Crystal Structure): Là cách các nguyên tử sắp xếp có quy luật trong không gian.
- Thành phần phân tử (Molecular Form): Là số nguyên tử có trong một phân tử, như phân tử oxy O₂ và ozon O₃.
Có thể ví điều này với việc dùng cùng những khối Lego để lắp thành ô tô hoặc ngôi nhà. Bản thân các khối giống nhau, nhưng công dụng lại hoàn toàn khác tùy theo hình dạng được lắp ghép.
Khái niệm “dạng thù hình” được cho là do nhà hóa học Thụy Điển Jöns Jacob Berzelius đề xuất lần đầu vào năm 1841. Tên gọi này được đặt ra để giải thích những chất có tính chất khác nhau dù thuộc cùng một nguyên tố.
Điểm cần lưu ý ở đây là thuật ngữ dạng thù hình chỉ dùng cho “nguyên tố”. Trường hợp cùng một chất chỉ thay đổi trạng thái, như nước và nước đá, hay sự khác biệt về cấu trúc của hợp chất gồm nhiều nguyên tố đều không được gọi là dạng thù hình.
Cùng là carbon, khác biệt về diện mạo
Carbon là nguyên tố thường được nhắc đến đầu tiên khi giải thích về dạng thù hình. Các nguyên tử carbon có nhiều cách liên kết nên tạo ra nhiều chất với những tính chất đối lập nhau.
(1) Kim cương
Đây là cấu trúc trong đó mỗi nguyên tử carbon liên kết bền chặt với bốn nguyên tử lân cận trong không gian ba chiều. Vì vậy, kim cương rất cứng, trong suốt và hầu như không dẫn điện.
(2) Than chì
Đây là cấu trúc trong đó các nguyên tử carbon tạo thành những mặt phẳng dạng mạng lục giác, rồi các mặt phẳng ấy xếp chồng thành nhiều lớp. Lực giữa các lớp yếu nên chúng dễ trượt lên nhau, nhờ đó than chì được dùng làm ruột bút chì hoặc chất bôi trơn, đồng thời dẫn điện tốt dọc theo các mặt phẳng.
(3) Fullerene và graphene
Fullerene, gồm 60 nguyên tử carbon tập hợp thành hình quả bóng đá, được phát hiện vào năm 1985 và dẫn đến giải Nobel Hóa học năm 1996. Graphene, được tách ra từ một lớp của than chì, đã được phân lập vào năm 2004 và được trao giải Nobel Vật lý năm 2010.
Ống nano carbon (Carbon Nanotube) là carbon có dạng ống, giống như một tấm graphene được cuộn tròn lại. Vật liệu này nhẹ nhưng rất bền và dẫn điện tốt nên đang thu hút nhiều sự chú ý trong nghiên cứu vật liệu mới.
Điều thú vị là ở nhiệt độ và áp suất thông thường, than chì là dạng bền hơn kim cương. Tuy nhiên, tốc độ chuyển từ kim cương sang than chì chậm đến mức khó tưởng tượng, nên viên kim cương trên nhẫn thực tế vẫn giữ nguyên gần như mãi mãi.
Các dạng thù hình ngoài carbon
Dạng thù hình không chỉ có ở carbon. Oxy mà chúng ta hít thở là O₂, gồm hai nguyên tử, nhưng khi ba nguyên tử kết hợp lại thì sẽ thành ozon (O₃). Ozon có mùi nồng và khả năng phản ứng cao nên có thể gây hại khi ở gần, nhưng trong tầng ozon trên cao, nó hấp thụ tia tử ngoại từ Mặt Trời để bảo vệ sự sống trên Trái Đất.
Ozon được tạo ra khi oxy nhận một lượng năng lượng lớn, chẳng hạn từ sét hoặc tia tử ngoại mạnh. Mùi tanh trong không khí sau khi có sét cũng thường là do ozon.
Phosphor (P) cũng là một ví dụ tiêu biểu. Phosphor trắng có khả năng phản ứng cao đến mức tự bốc cháy trong không khí và có độc tính mạnh nên được bảo quản trong nước. Trong khi đó, phosphor đỏ bền hơn nhiều nên được dùng trên bề mặt ma sát ở cạnh hộp diêm.
Thiếc (Sn) thay đổi hình dạng tùy theo nhiệt độ. Thiếc kim loại màu bạc mà chúng ta quen thuộc có thể từ từ chuyển thành dạng bột màu xám dễ vỡ nếu ở lâu dưới khoảng 13℃. Hiện tượng này được gọi là “bệnh dịch thiếc (Tin Pest)”.
Lưu huỳnh (S) cũng có các dạng thù hình với hình dạng tinh thể khác nhau, như lưu huỳnh tà phương bền ở nhiệt độ phòng và lưu huỳnh đơn tà hình thành ở nhiệt độ cao.
[Điểm nổi bật của các ví dụ]
- Oxy: O₂ để hít thở và O₃ ngăn tia tử ngoại
- Phosphor: Phosphor trắng nguy hiểm và phosphor đỏ dùng cho diêm
- Thiếc: Kim loại màu bạc và thiếc xám dễ vỡ khi trời lạnh
- Lưu huỳnh: Lưu huỳnh tà phương và lưu huỳnh đơn tà có hình dạng tinh thể khác nhau
4 góc nhìn để hiểu về dạng thù hình
Khi tìm hiểu về dạng thù hình, chúng ta nhận ra rằng tính chất của vật chất không chỉ được quyết định bởi việc “nó được tạo thành từ gì”. Dù là cùng những nguyên tử, cách sắp xếp của chúng vẫn chi phối tính chất.
(1) Cấu trúc quyết định tính chất
Độ cứng, màu sắc và tính dẫn điện khác nhau chủ yếu do cách liên kết và sắp xếp, hơn là do loại nguyên tử.
(2) Điều kiện làm thay đổi dạng tồn tại
Khi nhiệt độ và áp suất thay đổi, dạng thù hình bền hơn cũng thay đổi. Kim cương nhân tạo được tạo ra bằng cách biến đổi than chì ở áp suất và nhiệt độ cao.
(3) Độ bền và tốc độ là hai vấn đề khác nhau
Ngay cả khi có một dạng bền hơn, nếu tốc độ chuyển đổi chậm thì dạng ban đầu vẫn được duy trì trong thời gian dài.
(4) Trở thành điểm khởi đầu cho vật liệu mới
Những dạng thù hình mới được phát hiện, như graphene và ống nano carbon, trở thành vật liệu cho nghiên cứu pin, chất bán dẫn và vật liệu composite.
Cũng như có thể dùng cùng những viên gạch để xây một túp lều hoặc một tòa tháp, các nguyên tử cũng tạo nên những thế giới hoàn toàn khác nhau tùy theo cách được xếp lại. Vì vậy, khi nói về tính chất của một nguyên tố, các nhà hóa học luôn nêu rõ thêm “nguyên tố đó có cấu trúc như thế nào”.
Dù là cùng những nguyên tử, việc hỏi thêm “chúng được nối với nhau như thế nào” chính là bước đầu để hiểu sâu về tính chất của vật chất.
