Những con số làm nên vũ trụ - Phần 66

Cân bằng phản ứng

Các phản ứng hóa học liên quan đến sự phá vỡ và hình thành lại các liên kết hóa học; các nguyên tố tham gia tự sắp xếp lại thành những hợp chất hóa học mới. Hoạt động này được thực hiện bởi một phương tiện của hệ thống kế toán gọi là “cân bằng phương trình”.

Một ví dụ đơn giản của một phản ứng hóa học là phản ứng xảy ra khi natri hydroxide, thường gọi là nước kiềm, trộn với acid sulfuric. (Hãy đứng xa ra khi bạn trộn hai chất này, vì phản ứng khá dữ dội.) Natri hydroxide có công thức hóa học NaOH; acid sulfuric có công thức H₂SO₄ (khi tôi học hóa, tôi đã học được câu văn vần “Willie học hóa, anh học chẳng có nhiều, với cái anh nghĩ H-hai-O, thì là H-hai-S-O-bốn”). Phản ứng này được viết như sau

2NaOH + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2H₂O

Đây là viết tắt hóa học cho hai mol natri hydroxide phản ứng với một mol acid sulfuric, thu được một mol natri sulfate (Na₂SO₄) và hai mol nước. Mũi tên cho chúng ta biết chiều phản ứng diễn ra (vật chất phản ứng ở phía đuôi của mũi tên, vật chất bạn thu được nằm ở đầu nhọn của mũi tên). Phản ứng được cân bằng vì tổng ở mỗi bên của mũi tên cho mỗi nguyên tố tham gia là bằng nhau. Có một nguyên tử lưu huỳnh ở mỗi vế của phương trình, hai nguyên tử natri, bốn nguyên tử hydrogen, và sáu nguyên tử oxygen.

Tuy nhiên, mô tả này là chưa hoàn chỉnh. Giống hệt như trong thế giới thực, một số phương diện của hiện tượng là “nằm ngoài sách vở”, trong trường hợp này một nhân vật quan trọng, năng lượng, đã không được nhắc tới. Một số phản ứng là thu nhiệt; chúng cần năng lượng để sinh ra phản ứng. Một ví dụ thuộc loại này mà chúng ta đã gặp trong quyển sách này cho đến đây là sự điện phân các hợp chất thành những nguyên tử thành phần. Ví dụ, để tách nước thành các nguyên tố thành phần của nó (hydrogen và oxygen), cần cung cấp năng lượng ở dạng điện năng. Sự điện phân của nước sẽ được viết như sau

2H₂O + năng lượng → 2H₂ + O₂

Để làm công việc kế toán thật sự, ta cần ghi rõ lượng năng lượng có liên quan, nhưng chúng ta sẽ không bàn vào mức chi tiết ở đây.

Những phản ứng khác thì tỏa nhiệt; phản ứng tạo ra năng lượng. Một ví dụ hay thuộc loại này xảy ra bên trong động cơ xe hơi của bạn khi ethane (C₂H₆) kết hợp với oxygen ở một nhiệt độ đủ cao để đánh lửa ethane. Phản ứng tạo ra nước và carbon dioxide – và tôi chắc chắn bạn đã biết vai trò của carbon dioxide trong việc gây ra sự ấm lên toàn cầu. Khi chúng ta xét luôn năng lượng, thì phản ứng trên được viết là

2C₂H₆ + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O + năng lượng

Thực chất của vấn đề ở đây là các phản ứng hóa học bảo toàn số lượng nguyên tử của mỗi nguyên tố. Đây là nguyên do mà chuyện các nhà giả kim thuật đi tìm hòn đá triết học, cái chỉ cần chạm vào là biến các kim loại tầm thường thành vàng, đã thất bại – vì các nhà giả kim thuật chỉ có các phản ứng hóa học trong tay. Để tạo ra những phản ứng hạt nhân, cái có thể làm thay đổi loại nguyên tử có mặt, hoặc là bạn cần một công nghệ ấn tượng hơn nhiều so với kĩ thuật của nhà giả kim thuật, hoặc là bạn cần lượng nhiệt rất lớn. Cái thứ nhất chỉ bắt đầu xuất hiện vào thế kỉ hai mươi, còn cái thứ hai thì chỉ có thể tìm thấy tại tâm của một ngôi sao.