Bảng tuần hoàn…
17/12/2006
Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học: cung cấp nhiều kiến thức bổ ích về các nguyên tố hóa học. Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học thường treo trước các lớp học hóa và trong các phòng thí nghiệm khoa học trên khắp thế giới. Tuy nhiên cho đến nay nhiều người vẫn chưa biết rõ về lịch sử hình thành và quá trình phát triển của bảng nguyên tố này.
Eric Scerri, một nhà hóa học ở Đại Học UCLA và là tác giả của quyển sách mới xuất bản gần đây “Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học: câu chuyện và ý nghĩa” (Nhà xuất bản Đại Học Oxford), nói: ”Lúc tôi khám phá bảng nguyên tố với thứ tự tuyệt vời có vị trí quan trọng như thế nào trong ngành hóa học là lúc tôi cảm thấy yêu thích bảng nguyên tố này. Nó đã thu hút cái nhìn của tôi, và cho đến bây giờ vẫn như thế. Nó hoàn toàn đặc biệt trong ngành khoa học. Nếu hóa học là một lĩnh vực với đồ thị đơn giản biểu thị tính chất của lĩnh vực đó, thì bảng công cụ tuyệt vời này đã phục vụ cho công tác tổ chức toàn lĩnh vực hóa học”.
Ai là người đã khám phá ra bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học – vật chất nào đã cấu tạo nên các vật liệu cơ bản? Câu trả lời thật không đơn giản chút nào. Câu truyện bắt đầu từ các nhà triết học Hy Lạp cổ đại. Trong số các nhà hiền triết đó, thì Aristotle đã nhận diện được 4 nhân tố là: đất, nước, lửa và không khí. Từ xa xưa, người ta đã biết đến các nguyên tố khác – như sắt, đồng, vàng và nhiều kim loại khác.
Ngày nay, bảng tuần hoàn đã có 116 nguyên tố hóa học, nguyên tố mới nhất được cập nhật vào bảng tháng trước – hiện nay được biết đến là nguyên tố thứ 118 bởi số lượng proton trong hạt nhân nhiều hơn bất kì nguyên tố nào khác. (2 nguyên tố khác dự đoán có mặt trong bảng tuần hoàn nhưng vẫn chưa tổng hợp nên được).
Scerri, tác giả quyển sách về hóa học và vật lý hiện đại, viết rằng bảng tuần hoàn hóa học hiện đại bắt nguồn từ những năm 1860, khi 6 nhà khoa học – hầu hết không tiếng tăm lắm – đã tự phát hành các phiên bản khác nhau của bảng tuần hoàn.
Scerri cho biết một nhà địa chất học người Pháp tên Alexandre Emile Béguyer de Chancourtois đã khám phá ra bản chất hệ thống các nguyên tố hóa học, nhưng nhà xuất bản đã không thể in ấn sơ đồ bảng tuần hoàn phức tạp mà ông đã gửi kèm cùng bài viết. Kết quả là ông de Chancourtois chỉ có chút danh tiếng và nhiều người đã không biết đến ông.
Hầu như danh tiếng bảng tuần hoàn thuộc về nhà khoa học xuất sắc của Nga tên Dimitri Ivanovich Mendelev, thuộc nhóm 6 nhà khoa học trên, đã giới thiệu bảng tuần hoàn trong những năm 1860. Mendelev nói ông chưa từng trông thấy bất kì bảng tuần hoàn nào khác đương thời.
Scerri, sử gia kiêm triết học ngành hóa cho rằng:”Thành thật mà nói thì tôi không tin vào điều này lắm. Mendelev không sống biệt lập ở Siberia như là đôi khi người ta miêu tả ông. Mendelev có thể nói được các ngôn ngữ Châu Âu quan trọng, kết thân với giới văn sĩ và thường đi du lịch khắp Châu Âu. Ông Mendelev cũng đề cập đến những người tiên phong của bảng tuần hoàn nhưng không nêu cụ thể đích xác người thực sự phát minh ra bảng hệ thống này. Chắc chắn là Mendelev biết rõ về người đó”.
Tuy vậy Mendelev có đủ tư cách để nhận danh tiếng cho phát minh bảng tuần hoàn của mình, Scerri nói, “người tiếng tăm trong lĩnh vực khoa học là một người tiêu biểu luôn phát triển và đấu tranh cho ý tưởng của mình và phân tích được mọi vấn đề liên quan, chứ không nhất thiết là người đầu tiên nêu ra ý tưởng. Cái tên Mendelev thật sự rất thích hợp với bảng hệ thống tuần hoàn, có thể tương tự như tên tuổi của Darwin gắn liền với thuyết tiến hóa và Einstein với thuyết tương đối”.
Scerri viết về thiên tài Mendelev: “Bên trong khả năng của ông là trực giác chọn lọc giữa những kiến thức đúng đắn và sai lệnh về các nguyên tố góp phần sản sinh ra một hệ thống, một ý tưởng tuyệt diệu và tồn tại bền lâu trong số các khám phá về hóa học và vật lý đã được ứng dụng”.
Mendelev, tự gọi mình là nhà hóa học Newton, thai nghén nên ý tưởng bảng hệ thống tuần hoàn trong lúc viết quyển sách giáo khoa “Các nguyên tắc hóa học”, và ông mất 4 năm để tinh luyện nên bảng tuần hoàn đó. Ông là người phát triển nên ngành công nghiệp dầu khí, làm việc với tư cách giám đốc Viện về lĩnh vực đo lường và trọng lượng, cố vấn cho các nhà máy sản xuất phó mát của Nga. Scerri nói rằng vào cái ngày Mendelev phát minh bảng tuần hoàn, thì lẽ ra ông phải đi kiểm tra một nhà máy phó mát, nhưng ông quyết định không đi kiểm tra mà phác thảo sơ bộ bảng tuần hoàn đầu tiên lên mặt sau của tờ giấy mời đề ngày 17 tháng 2 năm 1869.
Medelev cho ra đời bảng tuần hoàn đầy đủ đầu tiên bao gồm hầu hết các nguyên tố hóa học đã biết, mặc dù ý tưởng cơ bản được triển khai trong khoảng 10 năm. Bảng tuần hoàn hóa học của Mendelev phát hành lần đầu tiên có các nhóm nguyên tố chính và nhóm phụ. Đáng chú ý hơn, trong bảng có nhiều ô trống, và trong lần xuất bản đầu tiên này, Mendelev dự đoán sẽ có nhiều nguyên tố chưa biết đến trong bảng tuần hoàn – một tiên đoán cho tương lai rất xa hơn hẳn các nhà đồng khám phá ra bảng hệ thống.
Mendelev đã viết cực kỳ chính xác đối với khối lượng nguyên tử dự đoán của 2 nguyên tố chưa biết đến dưới hình thức là ?=68 và ?=70 trong cột nguyên tố nhôm và silicon; các nguyên tố mới và khối lượng nguyên tử của chúng hóa ra là gallium (69.2) và germanium (72). Vào đầu năm 1869, không chỉ có Mendelev tiên đoán được khối lượng nguyên tử của các nguyên tố mới này, nhưng ông đã có thêm nhiều dự đoán khác về tính chất của chúng. Scerri cho biết: “Mendelev đã dự đoán thành công các nguyên tố mới, viết đúng khối lượng nguyên tử của các nguyên tố đã biết, và đảo ngược đúng vị trí của nguyên tố tellurium và iodine”.
Năm 1871, Mendelev xuất bản bài viết dài 96 trang, trong đó ông phân nhóm các nguyên tố theo chiều dọc cũng như theo chiều ngang. Tổng cộng Mendelev đã phát hành hơn 30 bảng tuần hoàn với những mẫu khác nhau theo hình thức bản thảo không công bố. Người ta đã in ấn đến 700 phiên bản của bảng tuần hoàn ở thế kỉ sau đó. Bảng tuần hoàn hiện đại có 18 cột. Nguyên tố trong cùng cột dọc có chung tính chất; đặc biệt các nguyên tố có tính chất tương tự như nguyên tố đứng trực tiếp bên trên và bên dưới.
Scerri nói rằng cả Mendelev hay các nhà khoa học khác đã không dự đoán thành công các nguyên tố khí hiếm – bao gồm helium, neon, krypton và radon – nêu ra một thách thức lớn đối với bảng hệ thống tuần hoàn. Rõ ràng là không có chỗ trong bảng tuần hoàn cho các nguyên tố này vì các vấn đề kỹ thuật liên quan đến trọng lượng của chúng. Vào những năm 1860 và 1870, các nguyên tố này dường như không thể tạo nên phân tử. Nhiều nhà khoa học nghĩ rằng tính chất của những nguyên tố đó rất yếu trong bảng tuần hoàn, nhưng họ đã thành công khi thêm vào cột thứ 18.
Cho đến ngày nay vẫn có các phiên bản của bảng tuần hoàn được thay đổi chút ít và đang trong cuộc tranh luận xem phiên bản nào là tốt nhất. Những nỗ lực nhằm giải thích bảng tuần hoàn đã đưa đến nhiều cải tiến quan trọng trong các lĩnh vực khoa học ngoài ngành hóa học ra, đặc biệt đối với lý thuyết vật lý học. Scerri nói thêm về khái niệm hình dạng của điện tử – cụ thể là thứ tự sắp xếp electron – bắt đầu khi nhà vật lý người Anh, J.J. Thompson, cố gắng giải thích trật tự của các nguyên tố trong bảng tuần hoàn, Scerri cũng đưa ra các ví dụ cụ thể. Ông cho biết khái niệm hình dạng điện tử ra đời trước cả thuyết lượng tử mà theo nhiều sách giáo khoa đã viết. Theo ông, bảng tuần hoàn là công cụ vừa giúp cho công tác giảng dạy và nghiên cứu. “Cách đây không lâu khi các nhà hóa học muốn nâng khả năng chịu nhiệt cao hơn nữa khi họ khám phá ra chất siêu dẫn nhiệt cao. Tất cả những gì họ thực hiện là đơn giản nhìn vào bảng tuần hoàn và nghĩ xem nếu một nguyên tố như lanthanum có thể cấu tạo nên chất siêu dẫn, thì tại sao lại không thử với actinium nằm ngay bên dưới lanthanum trong bảng?” Các nguyên tố trong bảng tuần hoàn bao gồm những nguyên tố ai cũng biết – như oxygen, hydrogen, carbon, silicon – và các nguyên tố ngoại lai như molybdenum, holmium, ytterbium. Nhiều nguyên tố đặt theo tên các nhà khoa học (Einsteinium), theo địa danh (Californium) hay theo tên của các vị thần Hy Lạp (Promethium).
Theo Scerri, nếu không có bảng tuần hoàn, thì học sinh không thể nào nhớ nổi các phản ứng và nhiều tính chất hóa học; trong tháng này ông đã vinh dự nhận giải thưởng Herbert Newby McCoy của Khoa Sinh hóa và Hóa học thuộc trường Đại Học UCLA cho “đóng góp cao quý nhất trong năm về lĩnh vực hóa học”. Ông phát biểu: “Chúng tôi cho rằng các việc làm tương tự như thế là chuyện đương nhiên”; quyển sách của ông bao gồm triết lý về bảng tuần hoàn hóa học, cũng như triết lý về các nguyên tố ảnh hưởng đến quá trình tiến hóa của Big Bang và bên trong các thiên thể chòm sao như thế nào. Đề tài của ông bao gồm cách tách nguyên tử có liên quan đến bảng hệ thống tuần hoàn.
Scerri cho biết:”Bảng tuần hoàn là một biểu tượng của khoa học, không chỉ đối với ngành hóa học, và đồng thời phản ánh những sự thật sâu sắc về các nguyên tố. Nó giúp đơn giản hóa việc học hóa hiệu quả. Tất cả những thông tin bạn cần đều nằm trong bảng tuần hoàn. Kiến thức như nằm im trong bảng, đợi chờ bạn đến khám phá và sử dụng hữu ích”.
Quỳnh Thi (theo University of California - Los Angeles)
hoahocvietnam.com