Hóa học cần học gì?

Phản ứng hóa học

Bài chi tiết: Phản ứng hóa học

Trong phản ứng hóa học, các liên kết giữa các nguyên tử được bẻ gãy và hình thành nên các chất khác nhau có các tính chất khác nhau. Trong một lò cao, oxide sắt, một hợp chất, phản ứng với carbon monoxit để hình thành sắt, một trong những nguyên tố hóa học, và carbon dioxit.
Khi một chất hóa học được biến đổi do sự tương tác của nó với một chất khác hoặc với năng lượng, ta có thể nói một phản ứng hóa học đã xảy ra. Phản ứng hóa học là một khái niệm liên quan đến "phản ứng" của một chất khi tiếp xúc gần với chất khác, cho dù là hỗn hợp hoặc dung dịch; hoặc tiếp xúc với một số dạng năng lượng, hoặc cả hai. Nó tạo ra một số trao đổi năng lượng giữa các thành phần của phản ứng cũng như với môi trường hệ thống, môi trường này có thể được là các hộp chứa được thiết kế đặc dụng - thường là dụng cụ thí nghiệm thủy tinh.

Các phản ứng hóa học có thể dẫn đến sự hình thành hoặc phân ly của các phân tử - tức là các phân tử sẽ bị phân tách thành hai hoặc nhiều phân tử nhỏ hơn; hoặc sắp xếp lại các nguyên tử trong hoặc ngoài các phân tử. Phản ứng hóa học thường liên quan đến việc tạo ra hoặc phá vỡ các liên kết hóa học. Các phản ứng thường gặp là oxy hóa-khử, phản ứng tách, trung hoà acid-base và tái sắp xếp nguyên tử.

Một phản ứng hóa học có thể được mô tả một cách biểu tượng bằng phương trình hóa học. Trong phản ứng hóa học phi-hạt-nhân, số lượng và loại nguyên tử ở cả hai phía của phương trình đều như nhau, đối với phản ứng hạt-nhân, điều này chỉ đúng đối với các hạt trong hạt nhân như proton và neutron.

Chuỗi các bước trong đó các liên kết hóa học được tổ chức lại xảy ra trong quá trình phản ứng hóa học được gọi là cơ chế phản ứng. Một phản ứng hóa học có thể được dự kiến ​​diễn ra theo một số bước, mỗi bước có thể có tốc độ khác nhau. Nhiều phản ứng trung gian với độ ổn định có thể do đó có thể được dự kiến ​​trong quá trình phản ứng. Các cơ chế phản ứng được đề xuất để giải thích động học và hỗn hợp sản phẩm tương đối của một phản ứng. Nhiều nhà hóa lý chuyên khám phá và đề xuất các cơ chế phản ứng hóa học khác nhau. Một số quy tắc thực nghiệm, giống như quy tắc Woodward-Hoffmann thường có ích trong khi đề xuất một cơ chế cho một phản ứng hóa học.

Theo sách vàng IUPAC, một phản ứng hoá học là "một quá trình dẫn đến sự chuyển đổi lẫn nhau giữa các loại chất hoá học". Theo đó, một phản ứng hóa học có thể là một phản ứng cơ bản hoặc một phản ứng qua nhiều bước.

Ion và muối

Bài chi tiết: Ion

Cấu trúc lưới tinh thể của Kali clorua (KCl), một muối được hình thành do sự hấp dẫn của K+ (cation) và Cl− (anion). Lưu ý nếu tính tổng thể của hợp chất này không tích điện.
Một ion là một phần tử mang điện tích, có thể là một nguyên tử hoặc một phân tử, đã mất hoặc lấy được một hoặc nhiều điện tử. Khi một nguyên tử mất một điện tử và do đó có nhiều proton hơn electron, nguyên tử là một ion tích điện dương hoặc cation. Khi một nguyên tử thu được một electron và do đó có nhiều điện tử hơn proton, nguyên tử là một ion tích điện âm hoặc anion. Cation và anion có thể tạo thành mạng lưới tinh thể của muối trung hòa, như ion Na+ và Cl− tạo thành NaCl. Các ví dụ về các ion đa nguyên tử không phân rã trong các phản ứng acid-base là hydroxit (OH−) và phosphate (PO43−).

Plasma gồm có chất khí đã được ion hóa hoàn toàn, thông thường là qua nhiệt độ cực cao.

Tính acid và base

Khi hydrogen bromua (HBr), trong ảnh, tan trong nước, nó tạo nên acid mạnh là acid hydrobromic.
Một chất có thể thường được phân loại như một acid hoặc một base. Có một số lý thuyết khác nhau giải thích những hành vi cơ bản của axit. Đơn giản nhất là lý thuyết Arrhenius, trong đó nêu rõ: một axit là một chất tạo ra ion hydro khi được hòa tan trong nước và một base tạo ra ion hydroxide khi hòa tan trong nước. Theo lý thuyết acid-base của Brønsted-Lowry, các acid là các chất cho một ion hidro dương cho một chất khác trong một phản ứng hóa học; mở rộng hơn, cơ sở lại là chất nhận được ion hidro đó.

Lý thuyết phổ biến thứ ba là lý thuyết cơ sở Lewis, dựa trên sự hình thành các liên kết hoá học mới. Lý thuyết của Lewis giải thích rằng: acid là một chất có khả năng nhận một cặp electron từ một chất khác trong quá trình hình thành liên kết, còn base là một chất có thể cung cấp một cặp electron để tạo thành một liên kết mới. Theo lý thuyết này, những điều quan trọng được trao đổi là điện tích . Có một số cách khác mà một chất có thể được phân loại như một acid hoặc một base, như là bằng chứng cho lịch sử của khái niệm này.

Độ mạnh của acid thường được đo bằng hai phương pháp. Một phép đo, dựa trên định nghĩa Arrhenius về axit, là độ pH, là một phép đo nồng độ ion hydronium trong dung dịch, được thể hiện trên thang logarit âm. Do đó, các dung dịch có độ pH thấp có nồng độ ion hydro cao và có thể có tính axit hơn. Các phép đo khác, dựa trên định nghĩa Brønsted-Lowry, là hằng số phân ly acid (Ka), đo lường khả năng hoạt động tương đối của một chất như axit theo định nghĩa của Brønsted-Lowry. Tức là các chất có Kacao hơn có nhiều khả năng cho các ion hydro trong các phản ứng hóa học hơn là những chất có giá trị Ka thấp hơn.

Oxy hóa-khử

Bài chi tiết: Oxy hóa khử

Phản ứng oxy hóa-khử bao gồm tất cả các phản ứng hóa học mà trong đó các nguyên tử bị thay đổi trạng thái oxy hóa bằng cách thu được điện tử (quá trình khử) hoặc mất điện tử (quá trình oxy hóa). Các chất có khả năng oxy hóa các chất khác được gọi là chất oxy hóa hoặc tác nhân oxy hóa. Chất oxy hóa loại bỏ các electron khỏi một chất khác. Tương tự, các chất có khả năng khử các chất khác được gọi là chất khử, hoặc tác nhân khử.
Một chất khử chuyển các electron sang một chất khác, và do đó nó bị oxy hoá. Và bởi vì nó "tặng" điện tử, nó còn được gọi là chất cho điện tử. Thuật ngữ "oxy hóa" và "khử" có lẽ đề cập đến một sự thay đổi số oxy hóa - sự chuyển giao thực sự của điện tử có thể không bao giờ xảy ra. Như vậy, quá trình oxy hóa được định nghĩa tốt hơn là sự tăng số oxy hóa, và khử là một sự giảm số oxy hóa.

Cân bằng

Mặc dù khái niệm cân bằng được sử dụng rộng rãi trong khoa học, trong bối cảnh hóa học, nó phát sinh bất cứ khi nào một số trạng thái khác nhau của thành phần hoá học là khả thi, ví dụ, trong một hỗn hợp của một số hợp chất hóa học có thể phản ứng với nhau, hoặc khi một chất có thể có mặt trong nhiều hơn một trạng thái.

Một hệ thống các chất hoá học ở trạng thái cân bằng, mặc dù có thể có thành phần không thay đổi, thường không tĩnh; các phân tử của các chất tiếp tục phản ứng với nhau do đó tiến đén sự cân bằng động. Do đó khái niệm này mô tả trạng thái trong đó các thông số như thành phần hóa học không thay đổi theo thời gian.