Thuyết Menđeleep về dung dịch

Vào năm 1863, khi vừa tròn 29 tuổi, Menđeleep đã được bầu là phó giáo sư Trường Đại học Tổng hợp Petecpua. Ông đọc bài giảng về hoá hữu cơ, đồng thời tiến hành nghiên cứu khoa học. Nhiều vấn đề hấp dẫn sự chú ý của nhà khoa học trẻ, trong đó dung dịch là vấn đề lôi cuốn ông hơn cả. Vấn đề rất phức tạp được ông chọn làm đề tài luận án tiến sĩ là: Nghiên cứu về mối quan hệ giữa rượu etylic với nước.

Khi bắt đầu nghiên cứu, Menđeleep nghĩ rằng công việc sẽ tiến hành thuận lợi nếu như đưa ra được một phép đo định lượng nào đó về quan hệ giữa dung môi và chất tan trong dung dịch. Và ông đã tìm được đại lượng cần thiết đó là thể tích, chính xác hơn là sự chênh lệch giữa tổng thể tích (V ₁+ V ₂) của các chất đầu dưới dạng tinh khiết (có nghĩa là rượu và nước) và thể tích V ₃của dung dịch tạo thành sAU khi trộn rượu và nước. Trong trường hợp này ông xác định được V ₃< (V ₁+ V ₂), có nghĩa là khi trộn rượu và nước để tạo ra dung dịch đã có hiện tượng co thể tích.

Menđeleep thấy cần phải tìm cách đo chính xác mức giảm thể tích của dung dịch. Và ông đã chế ra dụng cụ đo được gọi là trương kế - cái đo độ nở. Đó là một bình cầu thủy tinh nhỏ với cổ thon dài có vạch chia. Bằng dụng cụ này dễ dàng đo được sự tăng thể tích của chất lỏng ở những nhiệt độ khác nhau. Menđeleep thì dùng nó để đo hiện tượng giảm thể tích của dung dịch so với tổng thể tích ban đầu của hai chất lỏng riêng rẽ trước khi trộn vào nhau. Ông tiến hành trộn rượu với nước theo những tỷ lệ khác nhau và đo thể tích. Khi cuốn sổ tay theo dõi thí nghiệm đã tràn đầy những con số, thì hiện tượng giảm thể tích dung dịch không còn gì phải nghi ngờ nữa. Nhưng thay vào đó lại xuất hiện câu hỏi khiến ông không yên lòng: Vì sao có hiện tượng giảm thể tích như vậy?

Thông thường, như vẫn suy nghĩ, rượu trộn với nước tạo thành một hỗn hợp cơ học vô cùng đơn giản. Nếu đem đun sôi lại dễ dàng bằng tách chúng ra khỏi nhau, thu được rượu nguyên chất và nước. Không có lẽ, khi trộn chúng với nhau đã xảy ra phản ứng hoá học? Các phần tử rượu có thể kết hợp với các phần tử nước, tạo ra chất mới nào đó, kiểu như hyđrat của rượu - tức là một phân tử rượu kèm theo một số phân tử nước? Nếu vậy, thì trạng thái của hyđrat đó sẽ như thế nào? Có thể dùng các phương pháp hoá học thông thường để xác định thành phần của nó được không?

Những câu hỏi như thế luôn nung nấu trong tâm tưởng của nhà khoa học trẻ tuổi nhiều ngày trong phòng thí nghiệm khoa Hoá trường Đại học Tổng hợp Petecpua. Rồi một buổi chiều muộn, cánh cửa phòng thí nghiệm bật mở, một người bạn của Menđeleep, nhà hoá học - nhạc sĩ Alêchxandơ Pocphirievic Bôrôđin đột ngột bước vào. Lời đầu tiên Bôrôđin trách Menđeleep đã quên cuộc hẹn đến chơi. Menđeleep nói xin lỗi vì làm việc nhiều nên không nhớ. Rồi ông vui vẻ kể cho bạn nghe về điều ông mới phát hiện ra sau bao ngày nung nấu, nó khác với quan niệm cũ về quá trình hoà tan.

Theo quan niệm cũ quá trình hoà tan được xem như quá trình cơ học thuần tuý. Các hạt chất tan được đứng độc lập và phân bố đồng đều giữa các phân tử dung môi. Đây là quá trình phân tán cơ học, kèm theo sự hấp thụ năng lượng từ môi trường, làm dung dịch lạnh đi.

Tuy nhiên, theo nghiên cứu của Menđeleep, khi hoà tan nhiều chất, ông thấy hiện tượng diễn ra ngược lại: Sự hoà tan kèm theo toả nhiệt, làm dung dịch nóng lên. Kết luận đầu tiên mà Menđeleep rút ra là: sự hoà tan không phải là quá trình cơ học đơn giản phân tán các chất. Đó là quá trình hoá - lý phức tạp, có sự tác động qua lại giữa các tiểu phần của chất tan và dung môi. Khi đó, các hạt chất tan và các phân tử dung môi kết hợp với nhau tạo thành những hợp chất không bền, gọi là solvat hay hyđrat. Trong dung dịch, các solvat chỉ tồn tại ở điều kiện nhất định. Khi thay đổi nồng độ và nhiệt độ dung dịch chúng hoặc phá vỡ hoặc chuyển thành các hợp chất khác.

Sau phát hiện của Menđeleep, quan niệm về quá trình hoà tan đã thay đổi.

Quan niệm của Menđeleep về sự tương tác giữa các phân tử dung môi và chất tan đã được áp dụng để giải thích quá trình hoà tan các chất một cách đầy đủ như các bạn đã thấy ở trên khi ta hoà tan muối ăn vào nước. Ở đó cũng lý giải đầy đủ trường hợp quá trình hoà tan toả nhiệt hay thu nhiệt.