Phản ứng dây chuyền hoá học là phản ứng trong đó một tiểu phân hoạt động, thường là gốc tự do hoặc nguyên tử đơn lẻ, phản ứng xong lại tái tạo chính nó, nên một "mồi" nhỏ có thể làm hàng nghìn tới hàng triệu phân tử phản ứng. Ví dụ nổi tiếng nhất là tầng ozone: một nguyên tử clo trên tầng bình lưu có thể phá khoảng 100.000 phân tử ozone trước khi bị khoá lại. Cùng cơ chế này giải thích vì sao dầu ăn bị ôi, vì sao ngọn lửa tự duy trì và nhựa polyethylene được sản xuất thế nào.
Ba giai đoạn của mọi chuỗi
Dù xảy ra trong ngọn lửa, trong chai dầu hay trên tầng bình lưu, phản ứng dây chuyền hoá học đều có ba giai đoạn.
| Giai đoạn | Chuyện gì xảy ra | Ví dụ với clo và hydro |
|---|---|---|
| Khơi mào | Ánh sáng, nhiệt hoặc chất xúc tác bẻ một phân tử, tạo ra tiểu phân hoạt động đầu tiên | Ánh sáng tách Cl₂ thành hai nguyên tử Cl |
| Phát triển mạch | Tiểu phân hoạt động phản ứng, tạo sản phẩm và sinh lại một tiểu phân hoạt động khác | Cl + H₂ → HCl + H; rồi H + Cl₂ → HCl + Cl |
| Ngắt mạch | Hai tiểu phân hoạt động gặp nhau, hoặc bị một chất khác bắt giữ, chuỗi dừng | Cl + Cl → Cl₂ |
Điểm mấu chốt nằm ở giai đoạn giữa: nguyên tử Cl tham gia phản ứng rồi lại xuất hiện ở cuối vòng, sẵn sàng chạy vòng mới. Mỗi vòng tạo ra hai phân tử HCl. Số vòng trung bình trước khi chuỗi bị ngắt gọi là độ dài mạch.
Với hỗn hợp hydro và clo chiếu sáng, độ dài mạch rất lớn: một photon ánh sáng hấp thụ có thể dẫn tới hàng chục nghìn, thậm chí cả triệu phân tử HCl. Nhà hoá học Đức Max Bodenstein nghiên cứu phản ứng này từ năm 1913 và đưa ra khái niệm phản ứng dây chuyền. Năm 1956, Nikolay Semenov và Cyril Hinshelwood nhận giải Nobel Hoá học cho các nghiên cứu về cơ chế phản ứng hoá học, trong đó có phản ứng dây chuyền.
Mạch thẳng và mạch nhánh
Có hai kiểu chuỗi khác nhau một trời một vực:
- Mạch thẳng: mỗi vòng tiêu thụ một tiểu phân hoạt động và sinh ra đúng một. Số tiểu phân giữ nguyên, phản ứng chạy đều cho tới khi bị ngắt. Đây là kiểu của clo phá ozone.
- Mạch nhánh: mỗi vòng sinh ra nhiều hơn một tiểu phân hoạt động. Ví dụ trong hỗn hợp hydro và ôxy: H + O₂ → OH + O, một tiểu phân thành hai. Số tiểu phân tăng theo cấp số nhân, tốc độ phản ứng vọt lên.
Đây chính là logic của hệ số nhân k mà ta gặp trong lò phản ứng hạt nhân: mạch thẳng tương ứng k bằng 1, mạch nhánh tương ứng k lớn hơn 1. Semenov chỉ ra rằng ranh giới giữa cháy êm và cháy bùng phụ thuộc vào cuộc đua giữa tốc độ phân nhánh và tốc độ ngắt mạch, ví dụ khi gốc tự do va vào thành bình. Đó là lý do bụi mịn như bột mì, bột than lơ lửng trong không khí có thể bắt lửa dữ dội, và vì sao các nhà máy xay xát, hầm mỏ có quy định nghiêm ngặt về bụi và tia lửa.
Một nguyên tử clo, 100.000 phân tử ozone
Năm 1974, Mario Molina và F. Sherwood Rowland đăng trên Nature một cảnh báo: các chất CFC dùng trong tủ lạnh, máy lạnh, bình xịt rất bền ở mặt đất, nên chúng bay dần lên tầng bình lưu. Ở đó, tia cực tím mạnh bẻ gãy phân tử CFC, giải phóng nguyên tử clo. Nguyên tử clo khởi động một chuỗi:
Bước 1: Cl + O₃ → ClO + O₂
Bước 2: ClO + O → Cl + O₂
Tổng lại: O₃ + O → 2 O₂, còn Cl quay về nguyên vẹn.
Vì thế clo hoạt động như một chất xúc tác. Theo ước tính thường được Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ (EPA) nêu, một nguyên tử clo có thể phá khoảng 100.000 phân tử ozone trước khi bị ngắt mạch, chẳng hạn kết hợp với metan thành HCl hoặc với nitơ đioxit thành hợp chất bền tạm thời.
Phép tính hình dung
Một phân tử CFC-12 có hai nguyên tử clo. Nếu mỗi nguyên tử phá 100.000 phân tử ozone, một phân tử CFC phá được khoảng 200.000 phân tử ozone. Một gam CFC-12 chứa khoảng 5 × 10²¹ phân tử, tức tiềm năng phá khoảng 10²⁷ phân tử ozone, tương đương khoảng 80 kg ozone. Con số chỉ mang tính minh hoạ cho bậc độ lớn, vì không phải mọi nguyên tử clo đều chạy hết chuỗi, nhưng nó cho thấy vì sao lượng CFC tính bằng gam trên mỗi chiếc tủ lạnh, nhân với hàng trăm triệu chiếc, lại đủ làm mỏng cả một tầng khí bao quanh Trái Đất.
Năm 1985, các nhà khoa học của Cơ quan Khảo sát Nam Cực của Anh (Joseph Farman, Brian Gardiner và Jonathan Shanklin) công bố lượng ozone mùa xuân trên Nam Cực giảm mạnh, thứ về sau gọi là "lỗ thủng tầng ozone". Molina, Rowland cùng Paul Crutzen nhận giải Nobel Hoá học năm 1995.
Cắt chuỗi: Nghị định thư Montreal
Năm 1987, Nghị định thư Montreal về các chất làm suy giảm tầng ozone được ký kết, lộ trình loại bỏ dần CFC, halon và nhiều chất khác. Đây là một trong số rất ít hiệp ước được mọi quốc gia thành viên Liên Hợp Quốc phê chuẩn. Việt Nam tham gia năm 1994.
Đánh giá khoa học năm 2023 do UNEP, WMO và các cơ quan khác thực hiện kết luận tầng ozone đang phục hồi. Nếu các chính sách hiện hành được giữ, ozone dự kiến trở lại mức năm 1980 vào khoảng năm 2040 ở phần lớn thế giới, khoảng năm 2045 ở Bắc Cực và khoảng năm 2066 ở Nam Cực. Chuỗi phản ứng có thể kéo dài, nhưng khi nguồn mồi bị cắt thì nó tắt dần, theo đúng logic của mọi phản ứng dây chuyền có k nhỏ hơn 1.
Dây chuyền trong bếp và trong đồ nhựa
Vì sao dầu ăn bị ôi
Dầu ăn chứa nhiều axit béo không no. Ôxy trong không khí, được ánh sáng, nhiệt hoặc ion kim loại khơi mào, tạo ra gốc tự do trên phân tử chất béo. Gốc này bắt ôxy thành gốc peroxyl, gốc peroxyl lại cướp hydro của phân tử chất béo bên cạnh, tạo ra gốc tự do mới. Chuỗi cứ thế chạy, sinh ra các sản phẩm có mùi khét, mùi ôi. Vì vậy dầu nên để nơi tối, mát, đậy kín, và dầu đã chiên nhiều lần ôi nhanh hơn.
Chất chống ôxy hoá như vitamin E (tocopherol) tự nhiên có trong dầu thực vật hoạt động như "người ngắt mạch": nó nhường hydro cho gốc tự do, biến thành một gốc kém hoạt động không đủ sức duy trì chuỗi.
Ngọn lửa và bình chữa cháy
Ngọn lửa là một phản ứng dây chuyền mạch nhánh được duy trì liên tục, với các gốc như H, OH, O. Một số chất chữa cháy hoạt động bằng cách bắt các gốc này để ngắt chuỗi. Halon từng là chất chữa cháy rất hiệu quả theo cách đó, nhưng chính vì chứa brom và clo nên nó cũng phá ozone, và đã bị hạn chế theo Nghị định thư Montreal.
Polyethylene: chuỗi có ích
Túi nilon, can nhựa làm từ polyethylene, được tạo ra bằng trùng hợp: một gốc tự do hoặc chất xúc tác khơi mào, rồi các phân tử ethylene nối tiếp vào đầu mạch, mỗi lần nối lại tạo đầu mạch hoạt động mới. Một mạch polyme có thể gồm hàng nghìn tới hàng chục nghìn mắt xích ethylene. Ở đây độ dài mạch hoá học biến thành độ dài phân tử thật.
Góc nhìn hôm nay
Phản ứng dây chuyền hoá học dạy một bài học chung với tin đồn hay dịch bệnh: thứ quyết định không phải lượng mồi ban đầu mà là mỗi vòng sinh lại bao nhiêu và bị ngắt dễ hay khó. Trong đời thường, điều này thành những việc cụ thể: bảo quản dầu ăn tránh nóng và sáng, thu hồi gas máy lạnh cũ đúng cách thay vì xả ra không khí, để ý quy định về bụi và lửa ở xưởng sản xuất. Người muốn đọc thêm có thể tìm chương động học phản ứng trong sách hoá học phổ thông và đại cương, hoặc các báo cáo đánh giá tầng ozone định kỳ của UNEP.
Câu hỏi thường gặp
Phản ứng dây chuyền trong hoá học là gì?
Đó là phản ứng trong đó một tiểu phân hoạt động như gốc tự do phản ứng xong lại tái tạo tiểu phân hoạt động, nên chuỗi tự tiếp diễn. Mỗi chuỗi gồm ba giai đoạn: khơi mào, phát triển mạch và ngắt mạch.
Một nguyên tử clo phá được bao nhiêu phân tử ozone?
Theo ước tính thường được EPA nêu, một nguyên tử clo trên tầng bình lưu có thể phá khoảng 100.000 phân tử ozone trước khi bị bắt giữ. Clo hoạt động như chất xúc tác vì sau mỗi vòng nó quay về nguyên vẹn.
Tầng ozone có đang phục hồi không?
Có. Đánh giá khoa học năm 2023 cho thấy tầng ozone đang phục hồi nhờ Nghị định thư Montreal, dự kiến trở lại mức năm 1980 vào khoảng năm 2040 ở phần lớn thế giới và khoảng năm 2066 ở Nam Cực.
Vì sao dầu ăn để lâu bị ôi?
Ôxy tạo gốc tự do trên phân tử chất béo, và gốc này khởi động chuỗi ôxy hoá sinh ra các chất có mùi ôi. Ánh sáng, nhiệt và ion kim loại làm chuỗi nhanh hơn, còn vitamin E làm chậm nó bằng cách ngắt mạch.
Mạch thẳng và mạch nhánh khác nhau thế nào?
Ở mạch thẳng, mỗi vòng sinh ra đúng một tiểu phân hoạt động nên tốc độ đều. Ở mạch nhánh, mỗi vòng sinh nhiều hơn một nên số tiểu phân tăng theo cấp số nhân, phản ứng có thể bùng thành cháy nổ.
