Sách giáo khoa và đề thi môn hóa cần phải được chỉnh sửa sau phát hiện này: Carbon giờ đây có khả năng liên kết với Carbon chỉ bằng một electron duy nhất!

Khám phá này lại một lần nữa làm nổi bật tầm nhìn của nhà hóa học vĩ đại Linus Pauling, người đã dự đoán sự tồn tại này gần 100 năm trước.

Hãy nhớ lại một chút kiến thức hóa học từ thời phổ thông: Khi viết công thức cho các hợp chất hữu cơ, bạn thường nối liên kết giữa Carbon và Carbon như thế nào?

Có phải bạn sẽ viết một chữ C, nối với một chữ C bằng dấu gạch ngang (C-C) hay không? Tương tự với các liên kết C=C và C≡C, mỗi dấu gạch ngang thể hiện một cặp electron, tức là 2 electron, tạo thành liên kết cộng hóa trị.

Trong suốt thời trung học, chúng ta được dạy rằng một nguyên tử Carbon chỉ có thể liên kết với một nguyên tử Carbon khác thông qua 6, 4 hoặc 2 electron. Không có khả năng C liên kết với C chỉ bằng một electron duy nhất. Nhưng giờ đây, điều đó đã thực sự xảy ra.

Trong một nghiên cứu gần đây trên tạp chí Nature, một nhóm các nhà khoa học Nhật Bản cho biết họ đã phát hiện bằng chứng đầu tiên cho sự tồn tại của một liên kết đơn electron giữa hai nguyên tử Carbon. 

Định nghĩa về liên kết cộng hóa trị sẽ cần phải được điều chỉnh, và "nó sẽ sớm xuất hiện trong sách giáo khoa của bạn", theo thông tin từ bài báo trên Nature.

Xin chia buồn với các thí sinh tham gia kỳ thi tốt nghiệp THPT quốc gia năm sau, vì kể từ bây giờ, với sự xuất hiện của các liên kết C.C bên cạnh C-C, đề thi của bạn chắc chắn sẽ phức tạp hơn một chút.

Những dự đoán của Pauling năm 1931 đã trở thành hiện thực

Ai đã từng học hóa học đều biết rằng Carbon là một trong những nguyên tố phổ biến nhất trên Trái Đất. Các dạng liên kết và cấu trúc mà Carbon có thể tạo ra với chính nó đa dạng hơn bất kỳ nguyên tố nào trong vũ trụ.

Ví dụ, Carbon có thể tự hình thành các chuỗi dài một chiều hoặc tạo nên các cấu trúc đơn nguyên tử sắp xếp theo hình lục giác, được gọi là graphene. Khi xếp chồng nhiều lớp graphene lên nhau, bạn sẽ có được than chì. 

Và nếu một nguyên tử Carbon liên kết với 4 nguyên tử Carbon khác thông qua các dấu gạch nối biểu thị liên kết cộng hóa trị, nó sẽ tạo thành kim cương.

Tuy nhiên, câu chuyện còn tiếp diễn. Gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện rằng một nguyên tử Carbon có thể liên kết với chính nó, tạo ra một dạng "Carbon xanh". Một dạng thù hình liên quan đến 60 nguyên tử Carbon kết hợp lại, tạo thành một "quả bóng" siêu bền gọi là "buckyball".

Chưa hết, còn có vô số các dạng thù hình khác khi các nguyên tử Carbon sắp xếp ngẫu nhiên, được gọi là Carbon vô định hình. Tổng cộng, chỉ riêng Carbon đã sở hữu hơn 10 dạng thù hình đặc trưng, trong khi các nguyên tố phổ biến như Oxy, Nitơ và Phosphor chỉ có 2-3 dạng thù hình.

Dù ở bất kỳ dạng thù hình nào, các liên kết cộng hóa trị của Carbon vẫn phải tuân theo một quy tắc: chúng phải trao đổi số lượng electron chẵn để kết nối với nhau:

Nếu hai nguyên tử C chia sẻ 1 cặp electron, được gọi là liên kết đơn: C-C.

Nếu hai nguyên tử C chia sẻ 2 cặp electron, đó là liên kết đôi: C=C.

Nếu hai nguyên tử C chia sẻ 3 cặp electron, sẽ hình thành liên kết ba: C≡C.

Định nghĩa về liên kết cộng hóa trị cho rằng hai nguyên tử phải chia sẻ các cặp electron, tức là không thể có một electron đơn lẻ trong liên kết: C.C.

Tuy nhiên, vào năm 1931, nhà hóa học vĩ đại Linus Pauling đã dự đoán rằng có thể một liên kết C.C sẽ tồn tại trong một số hợp chất nhất định.

"Những liên kết này không phổ biến như liên kết bằng cặp electron, vì chúng chỉ xuất hiện trong một số ít hợp chất. Tuy nhiên, chúng lại rất thú vị do những đặc tính bất thường và khó hiểu của chúng", ông đã viết trong một bài báo trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ.

Pauling sau đó đã nhận giải Nobel Hóa học vào năm 1954 "cho nghiên cứu của ông về bản chất của liên kết hóa học và ứng dụng của nó trong việc làm sáng tỏ cấu trúc của các chất phức tạp". Nhưng phải đến bây giờ, gần 100 năm sau bài báo của Pauling, dự đoán của ông mới trở thành hiện thực.

Carbon có thể liên kết với Carbon chỉ bằng một electron duy nhất

Trong một nghiên cứu đột phá vừa công bố trên tạp chí Nature, bốn nhà khoa học từ Đại học Hokkaido, Nhật Bản đã thành công trong việc thực hiện một thí nghiệm chứng minh dự đoán của Pauling là đúng. Họ đã tạo ra hai nguyên tử Carbon liên kết với nhau chỉ bằng một electron duy nhất.

Cụ thể, các nhà khoa học đã sử dụng một dẫn xuất của hợp chất Carbon có tên là hexaphenylethane để cấu trúc thí nghiệm của họ. Phân tử hexaphenylethane sau đó dần dần bị phân hủy từ trong ra ngoài, để lại một "lớp vỏ" cho phép hai nguyên tử Carbon sắp xếp một cách lỏng lẻo, không cần phải giữ chặt với nhau.

Tại thời điểm này, các nhà nghiên cứu đã áp dụng một kỹ thuật tia X chuyên dụng để quan sát các liên kết giữa các nguyên tử Carbon. Hình ảnh từ kỹ thuật tia X đã xác nhận rằng các liên kết này chỉ có một electron duy nhất:

Nếu coi một liên kết đơn C-C, với hai electron bắt cặp như một cái bắt tay chặt chẽ, thì liên kết đơn electron C.C giống như một cái bắt tay bình thường giữa hai người.

Nó không quá yếu, nhưng cũng không mạnh như liên kết cộng hóa trị thường thấy.

"Chúng tôi muốn làm rõ liên kết cộng hóa trị là gì—cụ thể, vào thời điểm nào một liên kết được coi là cộng hóa trị và khi nào thì không?", tiến sĩ Takuya Shimajiri, một trong những tác giả nghiên cứu từ Đại học Hokkaido cho biết.

Nghiên cứu này chắc chắn sẽ dẫn đến việc các định nghĩa về liên kết cộng hóa trị trước đây phải được điều chỉnh. Và nó sẽ sớm có mặt trong sách giáo khoa mới của bạn.

Khám phá mới lại một lần nữa khẳng định tầm nhìn thiên tài của Linus Pauling. Quay ngược lại thập niên 1930, thời đại của ông, khi mà sự tồn tại của electron chỉ mới được biết đến vài thập kỷ, và lý thuyết về lưỡng tính sóng-hạt mới ra đời được 6 năm.

Khi Linus Pauling viết về mối liên kết này vào năm 1931, ông tin rằng nó tồn tại về mặt lý thuyết và có thể được phát hiện. Pauling sống thêm 53 năm nữa, trong thời gian đó ông đã giành được hai giải Nobel, một cho Hóa học (năm 1954) và một cho Hòa bình (năm 1962).

Đáng tiếc là Pauling không thể chờ đợi đến ngày dự đoán của ông trở thành hiện thực. Tuy nhiên, khi ở trên Thiên Đàng, có lẽ nhà hóa học người Mỹ đã rất vui mừng khi thấy các nhà khoa học sau này cuối cùng cũng cô lập và quan sát được liên kết đơn electron giữa các nguyên tử Carbon.

Với việc định nghĩa lại liên kết cộng hóa trị, ảnh hưởng của phát hiện này là rất lớn. Bên cạnh những ứng dụng khác của Carbon như vật liệu nano, graphene dưới dạng tấm và ống, có thể mất thêm 100 năm nữa để đi vào đời sống.

Tất cả cho thấy tầm quan trọng của nguyên tố đứng thứ 6 trong bảng tuần hoàn - Carbon - là điều không thể phủ nhận.