Một kiến thức hóa học có thể đã được giảng giải sai gần 100 năm

Một khái niệm hóa học cơ bản từng được giảng dạy cho nhiều thế hệ học sinh và sinh viên trên khắp thế giới có thể sẽ phải thay đổi hoàn toàn cách giải thích. 

Theo công bố mới nhất được công bố ngày 14/9 trên tạp chí Journal of Chemical Education, nhóm nghiên cứu quốc tế khẳng định mô tả truyền thống trong sách giáo khoa về hiệu ứng cảm ứng suốt gần 1 thế kỷ qua không hề phù hợp với các bằng chứng thực nghiệm hiện đại.

Mô tả truyền thống trong sách giáo khoa về hiệu ứng cảm ứng suốt gần 1 thế kỷ qua bị cho là không phù hợp với các bằng chứng thực nghiệm hiện đại. Hình minh họa: ScienceDaily.

Trong hóa học hữu cơ cấu trúc, hiệu ứng cảm ứng là khái niệm cốt lõi dùng để mô tả cách các nguyên tử ảnh hưởng đến sự phân bố electron bên trong phân tử. Nhiều thập kỷ qua, các tài liệu giảng dạy chuẩn mực đều cho rằng ảnh hưởng của một nguyên tử có thể truyền qua 3 đến 4 liên kết hóa học và lực tác động này sẽ yếu dần khi khoảng cách tăng lên. 

Tuy nhiên, kết quả phân tích từ năm 2024 của nhóm nghiên cứu lại vẽ ra một bức tranh hoàn toàn khác, khi cho thấy hiệu ứng cảm ứng trong các phân tử trung hòa điện thực chất chỉ dừng lại ở đúng một liên kết trực tiếp duy nhất chứ không lan xa như quan niệm cũ.

Trưởng nhóm nghiên cứu, Tiến sĩ Mark Elliott thuộc Trường Hóa học, Đại học Cardiff (Vương Quốc Anh), cho biết việc giới hạn hiệu ứng cảm ứng trong phạm vi 1 liên kết sẽ đòi hỏi giới khoa học tinh chỉnh lại cách giải thích về tính phản ứng của phân tử. 

"Hiệu ứng cảm ứng là một khái niệm nền tảng trong liên kết hóa học, bởi vì nó được sử dụng để giải thích cách electron phân bố giữa các nguyên tử trong phân tử", Tiến sĩ Elliott giải thích. "Bất kỳ ai học hóa học nâng cao hơn trình độ trung học cơ sở tại Anh, hoặc tương đương, đều học về khái niệm này".

Do đó, sự điều chỉnh mới có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với hóa hữu cơ, nơi các nhà khoa học thường xuyên nghiên cứu những chuỗi nguyên tử tạo nên nền tảng của dược phẩm, vật liệu tiên tiến, hóa chất nông nghiệp hay polymer dùng trong đời sống hàng ngày.

Để đi đến kết luận gây bất ngờ trên, các nhà khoa học không dựa vào một thí nghiệm đơn lẻ. Họ đã thu thập, tổng hợp các dữ liệu thực nghiệm vốn nằm rải rác trong nhiều công trình trước đó, đồng thời kết hợp với tập dữ liệu mới do chính mình thực hiện để chứng minh tính tổng quát của phát hiện. 

Nhóm hợp tác quốc tế bắt đầu đẩy mạnh nghiên cứu sau khi Tiến sĩ Mark Elliott tiếp cận các công trình của Tiến sĩ Edwin Johnson tại Đại học Newcastle (Australia) và Tiến sĩ Kasimir Gregory tại Đại học New England (Mỹ), những người cũng phát hiện ra bất thường khi nghiên cứu ảnh hưởng của nguyên tử có độ âm điện cao đến tính axit. 

Sự chênh lệch giữa dữ liệu mô phỏng hiện đại và lý thuyết trong sách giáo khoa lớn hơn rất nhiều so với dự đoán ban đầu của họ.

Giải thích về lý do quan niệm cũ tồn tại suốt gần 1 thế kỷ, các tác giả cho biết họ hoàn toàn tôn trọng những nhà khoa học tiên phong trong quá khứ. Thế hệ trước dù rất xuất sắc nhưng phải đưa ra kết luận gián tiếp dựa trên các dữ liệu thực nghiệm hạn chế của thời kỳ đó. 

Trong khi đó, các công cụ tính toán lượng tử hiện đại ngày nay cho phép giới nghiên cứu quan sát trực tiếp cấu trúc phân tử và sự phân bố mật độ electron một cách chính xác mà trước đây không thể thực hiện được.

Tác động của nghiên cứu mới đã nhanh chóng lan tỏa ra ngoài phạm vi phòng thí nghiệm. Ngay sau các phát hiện ban đầu, 2 hội đồng kiểm tra chứng chỉ A-level tại Anh đã thông báo sẽ tiến hành rà soát lại phương pháp giảng dạy hiệu ứng cảm ứng và trích dẫn trực tiếp công trình này làm căn cứ. 

"Nếu một khái niệm nền tảng bị dạy thiếu chính xác, những hiểu lầm đó có thể theo người học lên các cấp độ khoa học và nghiên cứu nâng cao hơn", Tiến sĩ Edwin Johnson khẳng định. "Bằng cách xem xét lại cách giải thích đã tồn tại lâu đời trong sách giáo khoa bằng các công cụ hiện đại, công trình của chúng tôi hướng tới việc cải thiện giáo dục hóa học và củng cố nền tảng lý thuyết hỗ trợ cho sự đổi mới sáng tạo trong ngành hóa học".