Hầu hết các hợp chất hóa học vẫn chưa được khoa học biết đến. Chúng ta có thể tạo ra bao nhiêu hợp chất mới bằng cách kết hợp các nguyên tố trong bảng tuần hoàn?
Vũ trụ có hàng tỉ hợp chất hóa học, mỗi chất có khi chỉ chiếm một phần rất nhỏ. Và con người mới chỉ xác định được 1% trong số chúng. Các nhà khoa học tin rằng nhiều hợp chất hóa học chưa được khám phá sẽ thay đổi tương lai nhân loại, chẳng hạn có thể giúp loại bỏ khí nhà kính, hoặc tạo ra bước đột phá về mặt y học giống như penicillin đã làm.
Từ xa xưa, các nhà học thuật đã tò mò về việc tìm hiểu về thế giới vật chất theo nghĩa hóa học. Kể từ khi nhà hóa học người Nga Dmitri Mendeleev phát kiến ra bảng tuần hoàn các nguyên tố vào năm 1869, các nhà khoa học đã khám phá ra nhiều hóa chất giúp định hình thế giới hiện đại. Chúng ta cần phản ứng tổng hợp hạt nhân (bắn các nguyên tử vào nhau với tốc độ ánh sáng) để tạo ra số ít nguyên tố sau cùng trên bảng tuần hoàn. Nguyên tố 117, tennessine, được tổng hợp vào năm 2010 theo cách này.
Thế giới hóa học đầy bí ẩn.
Nhưng để hiểu được quy mô hóa học đầy đủ của vũ trụ, ta cũng cần phải hiểu các hợp chất hóa học. Một số xuất hiện một cách tự nhiên như nước được tạo thành từ hydro và oxy. Những loại khác, chẳng hạn như nylon, được phát hiện trong các thí nghiệm và được sản xuất tại các nhà máy.
Mỗi loại nguyên tố được tạo thành từ một loại nguyên tử và nguyên tử được tạo thành từ các hạt nhỏ hơn là electron và proton. Tất cả các hợp chất hóa học được tạo thành từ 2 nguyên tử trở lên. Mặc dù có thể còn sót lại những nguyên tố chưa được khám phá nhưng điều đó cũng không can hệ gì lắm. Vậy, ta có thể tạo ra bao nhiêu hợp chất hóa học với 118 loại “khối lego nguyên tố” khác nhau hiện đã biết?
Số hợp chất khổng lồ
Chúng ta có thể bắt đầu bằng cách tạo ra tất cả các hợp chất có 2 nguyên tử. Có rất nhiều chất trong số này: N2 (nitơ) và O2 (oxy) cùng nhau chiếm tới 99% bầu không khí trên Trái đất của chúng ta. Theo lý thuyết có 6.903 hợp chất 2 nguyên tử, tương đương dân số của một làng quê.
Có khoảng 1,6 triệu hợp chất với phân tử gồm 3 nguyên tử như H20 (nước) và CO2 (carbon dioxide), bằng dân số của Birmingham (Anh) và Edinburgh (Scotland) cộng lại. Khi ta muốn có đủ các hợp chất mà phân tử do 4 và 5 nguyên tử, chúng ta đang đề cập đến con số tương đương dân số trên Trái đất. Để tạo ra tất cả các hợp chất hóa học này, ta cũng cần phải dùng cả vũ trụ làm phòng thí nghiệm.
Nhưng tất nhiên đây là một sự đơn giản hóa. Những thứ như cấu trúc của một hợp chất và tính ổn định của nó có thể làm cho nó phức tạp và khó chế tạo hơn. Hợp chất hóa học lớn nhất được tạo ra cho đến nay được tạo thành (vào năm 2009) với phân tử có gần 3 triệu nguyên tử. Chúng ta chưa chắc nó có tác dụng gì, nhưng các hợp chất tương tự được sử dụng để bảo vệ thuốc điều trị ung thư trong cơ thể cho đến khi chúng được đưa đến đúng vị trí.
Nhưng đây không phải là trò chơi số học thuần túy vì, hóa học có quy luật và nó khiến mọi thứ phức tạp hơn ta tưởng.
Ngay cả những "khí hiếm" tưởng như cô độc (bao gồm krypton, neon, argon, xenon và helium), có xu hướng không liên kết với bất cứ thứ gì, đôi khi lại tạo thành các hợp chất. Argon hydrua, ArH+ không tồn tại tự nhiên trên Trái đất nhưng đã được tìm thấy trong không gian. Các nhà khoa học có thể tạo ra các phiên bản tổng hợp trong phòng thí nghiệm tái tạo các điều kiện không gian. Vì vậy, nếu ta đưa các môi trường khắc nghiệt vào tính toán của mình, số lượng hợp chất có thể có sẽ tăng lên.
Hay 1 nguyên tử carbon thường hay gắn vào từ 1 đến 4 nguyên tử khác, nhưng đôi khi, trong một khoảng thời gian ngắn, việc nguyên tử carbon gắn vào 5 nguyên tử khác là có thể. Hãy tưởng tượng một chiếc xe có sức chứa tối đa 4 người. Xe mở cửa ở trạm, có người lên, người xuống và trong thời điểm nào đó khi mọi người đang lên xuống xe, ta có thể thấy có nhiều hơn 4 người trên xe.
Một số nhà hóa học dành toàn bộ sự nghiệp của mình để cố gắng tạo ra những hợp chất mà theo quy tắc hóa học là không tồn tại. Đôi khi họ thành công.
Một câu hỏi khác mà các nhà khoa học phải đau đầu giải quyết là liệu hợp chất mà họ săn tìm chỉ có thể tồn tại trong không gian hay môi trường khắc nghiệt chẳng hạn như nơi có sức nóng và áp suất cực lớn giống như miệng phun núi lửa dưới đáy đại dương?
Cách nhà khoa học tìm kiếm những hợp chất mới
Thông thường, việc tìm kiếm các hợp chất mới có liên quan đến những hợp chất đã được biết đến. Có hai cách chính để làm điều này. Người ta lấy một hợp chất đã biết và thay đổi nó một chút - bằng cách thêm, bớt hoặc hoán đổi một số nguyên tử. Cách khác là thực hiện một phản ứng hóa học đã biết và làm mới nguyên liệu đầu vào. Cả hai phương pháp này đều là cách tìm kiếm những ẩn số đã biết. Nói cách khác, với phương pháp sáng tạo giống nhau nhưng hy vọng có thể cho ra kết quả khác nhau để phát hiện cái mới.
Trở lại với trò lego, nó giống như lắp một ngôi nhà, sau đó là một ngôi nhà hơi khác, hoặc lắp những viên gạch mới và xây thêm tầng. Rất nhiều nhà hóa học dành sự nghiệp của mình để khám phá một trong những “ngôi nhà hóa chất” này. Nhưng làm thế nào chúng ta có thể tìm kiếm hợp chất thực sự mới - tức là những ẩn số chưa biết?
Một cách mà các nhà hóa học tìm hiểu về các hợp chất mới là nhìn vào thế giới tự nhiên. Penicillin được tìm ra theo cách này vào năm 1928, khi Alexander Fleming quan sát thấy nấm mốc trong đĩa petri của ông đã ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn.
Hơn một thập niên sau, vào năm 1939, Howard Florey đã tìm ra cách trồng penicillin với số lượng khả dụng mà vẫn sử dụng nấm mốc. Nhưng phải mất nhiều thời gian hơn nữa, cho đến năm 1945, Dorothy Crowfoot Hodgkin mới xác định được cấu trúc hóa học của penicillin.
Điều đó quan trọng vì một phần cấu trúc của penicillin chứa các nguyên tử được sắp xếp theo hình vuông, đây là một sự sắp xếp hóa học bất thường mà ít nhà hóa học thời đó có thể hình dung và rất khó thực hiện. Hiểu được cấu trúc của penicillin có nghĩa là chúng ta biết nó trông như thế nào và có thể tìm kiếm những họ hàng hóa học của nó. Nếu ta bị dị ứng với penicillin và cần một loại kháng sinh thay thế, ta phải cảm ơn Crowfoot Hodgkin.
Ngày nay, việc xác định cấu trúc của các hợp chất mới đã dễ dàng hơn rất nhiều. Kỹ thuật chụp X-quang mà Crowfoot Hodgkin đã phát minh ra trên con đường xác định cấu trúc của penicillin vẫn được sử dụng trên toàn thế giới để nghiên cứu các hợp chất. Và kỹ thuật chụp MRI mà các bệnh viện sử dụng để chẩn đoán bệnh cũng có thể được sử dụng trên các hợp chất hóa học để tìm ra cấu trúc của chúng.
Nhưng ngay cả khi một nhà hóa học đoán ra một cấu trúc hoàn toàn mới không liên quan đến bất kỳ hợp chất nào được biết đến trên Trái đất thì việc tạo ra nó vẫn vô cùng khó khăn. Việc xác định một hợp chất hóa học có thể tồn tại không cho ta biết nó có cấu trúc như thế nào hoặc ta cần những điều kiện gì để tạo ra nó.
Đối với nhiều hợp chất hữu ích, như penicillin, việc "phát triển" và chiết xuất chúng từ nấm mốc, thực vật hoặc côn trùng sẽ dễ dàng và rẻ hơn. Vì vậy, các nhà khoa học đang tìm kiếm chất hóa học mới vẫn thường tìm kiếm nguồn cảm hứng ở những góc nhỏ nhất của thế giới xung quanh ta.