Học sinh bắt đầu làm quen với bản chất hai mặt của các chất ngay từ những kiến thức đầu tiên: trong nguyên tử luôn tồn tại thống nhất hạt nhân mang điện dương và lớp vỏ electron mang điện âm trái dấu.
Tiếp tục nghiên cứu, thì Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học là biểu hiện tập trung rõ rệt của quy luật thống nhất và đấu tranh của các mặt đối lập. Những nguyên tố hóa học có tính chất rất khác nhau, có khi đối lập nhau được Mendeleev tập hợp lại thành một toàn thể thống nhất, và có quy luật.
II.1. Quy luật thống nhất và đấu tranh của các mặt đối lập biểu hiện trong sự biến đổi tính chất của các nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn
- Trong cùng 1 chu kì đã tập hợp được những nguyên tố từ kim loại điển hình đến phi kim điển hình, và khí hiếm.
Thí dụ
Chu kì 3 bắt đầu từ nguyên tố Natri (Z = 11), một kim loại điển hình, rồi lần lượt đến Magie (Z = 12) là kim loại mạnh, nhưng hoạt động kém hơn Natri. Nhôm (Z = 13) là kim loại nhưng hidroxit của nó đã có tính lưỡng tính. Silic (Z = 14) là phi kim, nhưng tan được trong kiềm nóng chảy tạo muối silicat. Từ Photpho (Z = 15) đến Lưu huỳnh (Z = 16), tính phi kim mạnh dần, đến Clo (Z = 17) là phi kim điển hình.
- Trong cùng một phân nhóm, các nguyên tố vừa có những đặc tính giống nhau, lại vừa thể hiện những tính chất đối lập nhau.
Thí dụ:
Nhóm halogen mặc dù là nhóm phi kim điển hình nhất, nhưng đồng thời cũng thấy thể hiện tính kim loại mạnh dần ở các nguyên tố cuối nhóm. Sự đối lập này có thể thấy rõ ràng ở phản ứng:
Br2 + 2Cl2 + 6H2O → 2HBrO3 + 4HCl I2 + 2Cl2 + 6H2O → 2HIO3 + 4HCl
Ta thấy, brom hay iot vẫn có khả năng phản ứng được với clo. Trong đó, clo đóng vai trò chất oxi hóa, còn brom hay iot giữ vai trò chất khử.
II.2. Quy luật thống nhất và đấu tranh của các mặt đối lập biểu hiện trong việc xác định nguyên nhân biến thiên của Định luật tuần hoàn
Khối lượng nguyên tử của nguyên tố nói chung tăng lên khi điện tích hạt nhân tăng. Do đó nếu sắp xếp các nguyên tố theo chiều tăng của khối lượng nguyên tử và theo chiều tăng của điện tích hạt nhân thì trừ một số ít ngoại lệ, ta cũng được một dãy nguyên tố theo trật tự như nhau. Chính vì thế Mendeleep đã khám phá ra Định luật tuần hoàn khi lấy khối lượng nguyên tử làm cơ sở. Giữa khối lượng nguyên tử và điện tích hạt nhân có mối liên quan chặt chẽ với nhau. Khi điện tích hạt nhân tăng (số p tăng) thì khối lượng trung bình của các đồng vị nguyên tố tăng, tức là tăng khối lượng nguyên tử. Nhưng vì trong nguyên tử số p và n không tăng theo một tỷ lệ nhất định nên ở một số ít trường hợp sự tăng khối lượng nguyên tử không đúng với sự tăng điện tích hạt nhân. Vì vậy trong bảng hệ thống tuần hoàn, có 4 cặp nguyên tố Ar và K, Co và Ni, Te và I, Th và Pa bị coi là ngoại lệ. Trong mỗi cặp, nguyên tố đứng trước có khối lượng hơi lớn hơn nguyên tố đứng sau, mặc dù điện tích hạt nhân của nguyên tố đứng trước nhỏ hơn 1 đơn vị.
Thí dụ
+ Ar có Z = 18, có 3 đồng vị 36 (0,337%), 38 (0,063%), 40 (99,60%). Khối lượng nguyên tử trung bình là 39,948
+ K có Z = 19, có 3 đồng vị 39 (93,08%), 40 (0,012%), 41 (6,91%). Khối lượng nguyên tử trung bình là 39,012.
Ta thấy với Ar tỷ lệ đồng vị nặng 40 chiếm tới 99,60% còn đối với K thì tỷ lệ đồng vị nhẹ 39 lại là ưu thế, nó chiếm tới 93,08%. Vì vậy khối lượng nguyên tử trung bình của Ar là 39,948 hơi lớn hơn K là 39,012 mặc dù điện tích hạt nhân của Ar là 18 nhỏ hơn K là 19
Nếu xếp các nguyên tố theo chiều tăng của điện tích hạt nhân thì thứ tự trên là tự nhiên, không còn ngoại lệ nữa. Như vậy trong bảng hệ thống tuần hoàn, điện tích hạt nhân tăng liên tục từ 1 đến 105 (đây chưa phải là giới hạn cuối cùng và vẫn đang nghiên cứu tổng hợp hạt nhân
nặng hơn). Đồng thời điện tích hạt nhân cũng xác định vị trí của mỗi nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn.
II.3. Sự biến đổi về hóa trị của các nguyên tố
Lịch sử phát sinh và phát triển của một trong những khái niệm quan trọng nhất của hóa học – khái niệm về hóa trị, phản ánh quá trình nhận thức và sự phát hiện ra cấu tạo của các hợp chất hóa học và bản chất của mối liên kết hóa học.
Như ta đã biết, Franklenđơ (1853) lần đầu tiên đã thiết lập bằng thí nghiệm thuộc tính nguyên tử số, sau này gọi bằng thuật ngữ “hóa trị” Ngày nay thuật ngữ đó có nghĩa là “tính chất của một nguyên tử của một nguyên tố nhất định có thể hóa hợp hoặc đổi chỗ cho một số nguyên tử nhất định của nguyên tố khác”. Được xây dựng trên cơ sở những quan niệm về nguyên tử, khái niệm này cho phép ta giải thích nhiều sự kiện thực nghiệm có liên quan đến thành phần và cấu tạo của những hợp chất, hiểu sâu hơn bản chất của định luật tỷ lệ bội, tiên đoán một loạt những hiện tượng khác, sau này sẽ được xác nhận. Cùng với việc quy định rõ thêm và đưa vào các nguyên tử lượng, người ta đã xác định hóa trị của hầu hết các nguyên tố.
Khái niệm hóa trị có vai trò to lớn trong việc xây dựng thuyết cấu tạo hóa học. Butlerop đã kí hiệu các mối liên kết hóa học, trật tự liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử bằng các vạch nhỏ. Số vạch chỉ hóa trị của nguyên tử của nguyên tố đã cho. Việc vận dụng các khái niệm về cấu tạo hóa học đã đánh dấu một bước tiến lớn trong nhận thức bản chất của các chất hóa học, và như ta đã biết, điều đó đã dẫn tới một sự phát triển chưa từng có thời đó về hóa học hữu cơ. Người ta không còn nghi ngờ gì nữa về sự tồn tại của hóa trị. Tuy nhiên việc xác nhận khái niệm này vẫn còn một phần nào mang tính chất hình thức, vì thời đó hãy còn chưa phát hiện ra tính chất của các lực hóa trị, bản chất của ái lực hóa học, tức là bí mật của vạch hóa trị còn chưa được khám phá ra.
Giai đoạn mới trong việc nhận thức bậc sâu hơn nữa của bản chất của các chất hóa học gắn liền với việc tìm ra định luật tuần hoàn. Điều này được phản ánh ở sự phát triển sâu hơn nữa khái niệm hóa trị. Cho đến lúc ấy nhiều nhà bác học cho rằng hóa trị của nguyên tố trong các hợp chất hóa học là không đổi.
Vuyecxo đã giả thiết lúc đầu là clo luôn luôn chỉ có hóa trị 1. Mendeleev đã chứng minh rằng hóa trị của clo có thay đổi. Hóa trị này khác nhau về chất trong các hợp chất của nguyên tố này với hidro và với oxi. Thí dụ, clo trong HCl có số oxi hóa là -1 còn trong Cl
2O và Cl2O7 thì lần lượt có số oxi hóa là +1 và +7.
Khi chứng minh rằng một tiểu phân hóa học (nguyên tử) có hóa trị là một sự thống nhất các mặt đối lập, Mendeleev đã phát hiện ra sâu hơn bản chất của cấu tạo các chất tạo nên từ các tiểu phân này. Thì ra không chỉ một nguyên tố có hóa trị khác nhau tùy theo các điều kiện, mà hóa trị cũng như nhiều tính chất khác của nguyên tử còn tuân theo định luật tuần hoàn, tức là sự biến đổi hóa trị không phải là ngẫu nhiên, mà là gắn liền với vị trí của nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn.
Sự phát triển tiếp theo của khái niệm hóa trị gắn liền với cuộc cách mạng mới nhất trong vật lý học, với những thành tựu thực nghiệm xuất sắc trong nhận thức về cấu tạo nguyên tử. Năm 1913 Borh dựa trên những thí nghiệm đã làm, dực trên định luật tuần hoàn và mẫu hành tinh của nguyên tử đã giải thích sự phân phối các điện tử theo các quỹ đạo, đưa ra khái niệm về vòng điện tử bão hòa và vòng điện tử ngoài cùng, mà tính chất hóa học của các nguyên tố cũng như hóa trị của chúng phụ thuộc vào lớp điện tử ngoài cùng đó. Thực tế khái niệm về hóa trị đã được chuyển thành học thuyết về hóa trị, trong đó có bao gồm giải thích nguyên nhân tạo thành các hợp chất hóa học, tức là vạch ra bản chất của mối liên kết hóa học.
II.4. Ý nghĩa của quy luật
Quá trình nhận thức bản chất của các chất hóa học là liên tục và theo nhiều mức độ. Sự tạo thành và phát triển các khái niệm phản ánh các mức độ đi sâu vào bản chất đó. Vì rằng bản chất là nhiều mặt, vô tận, nên trong quá trình nhận thức việc hình thành, phát triển và đào sâu những khái niệm khoa học là liên tục.
Tính nhiều mặt khách quan, tính vô tận của các đối tượng vật chất là cơ sở của tính có nhiều chất. Cơ sở của tính nhiều chất chứa đựng ngay trong chính bản thân của phân tử chất hóa học, trong cấu trúc của nó, trong các mối liên hệ và chuyển hóa nó. Sự thể hiện chất này hay chất khác phụ thuộc vào các điều kiện tồn tại và vào tính chất cụ thể của mối tương tác (phản ứng) hóa học trong đó có phân tử tham gia. Những suy nghĩ
gắn vĩnh viễn một chất nhất định, không đổỉ ở mỗi điều kiện cho một chất hóa học, tức là tuyệt đối hóa chất đó, đều có tính chất siêu hình.
Trên cơ sở những hiện tượng hóa học thuộc chương trình phổ thông, cần tổng quát hóa dần dần để học sinh biết cách nhìn đúng đắn vào bản chất của hiện tượng, tính quy luật của nó. Để giúp học sinh hiểu quy luật này, cần tập cho các em biết nhìn thấy những mặt đối lập, những tính chất mâu thuẫn trong các vật thể,các chất, và các hiện tượng hóa học.
CHƯƠNG III