Cơ sở Hóa học nguyên tố [Tiếp theo vấn đề 1]

Trong khoảng 1864 - 1865, J. Newlands đã dựa trên những quan niệm của Chancuortois để xây dựng một hệ thống mới, cũng dựa trên sự tăng dần khối lượng nguyên tử các nguyên tố. Ông chia các nguyên tố đã biết thành 7 nhóm, mỗi nhóm gồm 8 nguyên tố, đứng đầu mỗi nhóm là 1 trong 7 nguyên tố nhẹ nhất đã được xác định thời bấy giờ là H, Li, Be (Gl), B, C, N và O.



Newlands đã quan niệm sự phân chia, sắp xếp các nguyên tố như bảy nốt trong thang âm nhạc. Từ Li đến Na là một quãng tám (bát độ, octave) của 8 nguyên tố, nguyên tố thứ 8 lặp lại tính chất cơ sở của nguyên tố đầu tiên. Quy tắc của ông được gọi là "định luật quãng tám" (tên gốc TA: Newlands' Octaves)



Ông nói rằng từ Li đến Na là một chu kì của 8 nguyên tố, trên Li và Na là các chu kì khác. Tuy nhiên đến chu kì thứ 4 của Co/Ni thì đã xảy ra lỗi. Vậy là lại một hệ thống nữa ra đời nhưng vẫn chưa thể sắp xếp được chính xác các nguyên tố theo một trật tự nhất định, đồng nhất. 
Chúng ta chờ đợi tiếp tiếp sự ra đời của một hệ thống hoàn chỉnh hơn ở bài viết tiếp theo. 
1.2.b. Mendeleev - Thiên tài nước Nga và phát minh vĩ đại nhất lịch sử hóa học: 
Trong ít nhất 5 năm tiếp xúc với môn Hóa học (từ lớp 8 - 12) chắc hẳn không bạn học sinh nào thấy lạ với hình ảnh của bảng Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học (Periodic Table of the Elements): 



Chúng ta thường được biết đến bảng này với cái tên ngắn gọn hơn là "bảng Mendeleev", ai cũng biết việc đặt tên này là để ghi nhận công lao đã tìm ra bảng hệ thống tuần hoàn của Mendeleev. Nhưng, Mendeleev là người như thế nào? Và tại sao ông có thể xây dựng thành công hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học trong khi những nhà khoa học tiền nhân đã thất bại trong suốt hơn mấy chục năm qua? Trước tiên, hãy tìm hiểu một chút về tiểu sử của ông. 

Mendeleev tên thật là Dmitri Ivanovich Mendeleev, ông sinh ngày 27.01.1834 (Giáp Ngọ) tại thành phố Tobolsk, thuộc công quốc Serbia ở Đông Nam Châu Âu. Mendeleev là con út trong số 17 người con của vợ chồng Ivan Pavlovich Mendeleev và Maria Dmitrievna Mendeleeva. Cha của Michia (tên gọi thời thơ ấu của Mendeleev) là hiệu trưởng trường THPT Tobolsk, khi Michia vừa tròn 2 tháng tuổi thì ông phải nghỉ việc vì sức khỏe không cho phép, hai vợ chồng ông giáo chỉ với khoản tiền trợ cấp ít ỏi đã phải cố gắng làm việc từng ngày để nuôi dưỡng 17 đứa con nên người. Vì sức khỏe của ông Ivan không tốt nên hầu như mọi gánh nặng trong gia đình đổ dồn lên vai bà Maria Dmitrievna, vốn dĩ là tiểu thư một gia đình khá giả, thời còn trẻ bà rất thích đọc sách, tìm tòi kiến thức, sau khi lấy chồng không còn nhiều thời gian để học tập, bà dồn hết mọi hi vọng và đam mê tuổi trẻ của mình vào những đứa con. Để có tiền nuôi sống cả nhà, bà quyết định đưa cả gia đình đến làng Aremdianka, một ngôi làng nhỏ cách xa thành phố 30 dặm, ở đây bà làm việc tại một xưởng thủy tinh nhỏ của anh trai mình. Ở đây bà vừa thay anh quản lí xưởng vừa sắp xếp công việc thích hợp cho các con. Dù rất bận rộn nhưng bà vẫn không sao nhãng việc học tập của con cái. Rồi nhờ mọi cố gắng của bà, cuộc sống của gia đình cũng dần ổn định. Nhưng rồi bất hạnh lại đổ lên gia đình bà, năm 1874 ông Ivan qua đời vì bệnh tật, ba tháng sau thì Apolinalia - một người con của bà cũng đi mất. Một năm sau xưởng thủy tinh bị cháy, bà phải dẫn các con trở lại thành phố. Các con của bà những đứa lớn lần lượt lấy vợ, gả chồng, chẳng mấy chốc cả gia đình gần 20 người giờ chỉ còn lại bà và ba đứa trẻ Elizabet, Lida và Michia. 
Năm 15 tuổi (1849), Mendeleev tốt nghiệp trường THPT Tobolsk và vào học trường Đại học sư phạm Sankt-Peterburg sau nhiều tháng ngày gian nan với việc nộp đơn vào các trường ĐH lớn và bị từ chối vì xuất thân của mình. Mendeleev đã bị trường ĐH TH Moscov từ chối, vào viện Hàn Lâm Y học một thời gian thì không chịu nổi môi trường ở các buổi học giải phẫu nên cậu cũng phải xin nghỉ, nộp đơn vào Đại học sư phạm Sankt-Peterburg thì đúng vào đợt mà trường chưa tuyển sinh (2 năm mới tổ chức tuyển sinh 1 lần, lúc đó mới gần kết thúc năm thứ nhất), tuy nhiên mẹ của cậu - bà Maria Dmitrievna đã viết thư nhờ những người quen biết cũ vận động giúp và cuối cùng Mendeleev đã được đặc cách tuyển vào trường. Quá lao lục trong suốt chặng đường vừa qua, mùa đông năm 1849 bà Maria qua đời. 
"... Michia, mẹ ra đi mà trong lòng thanh thản vì tin rằng con sẽ là một người có ích..." 
Đó là những lời cuối trong bức thư mà bà Maria gửi cho Mendeleev. Để không phụ lòng kì vọng của mẹ, Mendeleev đã ra sức học tập, dù môi trường học cũng như điều kiện sống khó khăn nhưng cậu không vì thế mà nản chí. Sự kiên trì trong việc học tập, nghiên cứu của Mendeleev đã làm nhiều nhà giáo uy tín trong trường chú ý và dành nhiều ưu ái cho cậu. Chính những người thầy này đã xây dựng nên một tình yêu, niềm đam mê khoa học trong cậu. 
6 năm sau (1855), Mendeleev tốt nghiệp loại xuất sắc và giành được huy chương vàng. Theo đề nghị của các viện sĩ đã giảng dạy cậu thì Mendeleev sẽ được giữ lại trường và tiếp tục làm luận án thạc sĩ nhưng ông đã rời xa Peterburg để về Simferopol và làm giảng viên tại một trường THPT ở đó.
 


Năm 1859, Mendeleev bảo vệ thành công luận án phó tiến sĩ, sau đó ông tiếp tục ra nước ngoài (Pháp, Đức,... ) để học tập và nghiên cứu. Hai năm sau ông trở về nước Nga và được bầu chọn làm giáo sư ĐH Tổng hợp Sankt-Peterburg, đây cũng là nơi ông gắn liền suốt hơn 35 năm sau... 
Nếu muốn tìm hiểu thêm về Mendeleev các bạn có thể đọc thêm ở đây: http://en.wikipedia.org/wiki/Dmitri_Mendeleev

Năm 1864, Mendeleev bắt tay vào nghiên cứu phân loại các nguyên tố hóa học, lúc này số lượng nguyên tố hóa học được con người tìm ra đã đạt đến con số 63. Khi ông viết cuốn "Nguyên lí hóa học" ông đã phát hiện rằng các sự vật có một mối liên quan nào đó với nhau chứng tỏ rằng giữa các nguyên tố - là những yếu tố cơ bản sáng tạo nên vật chất sẽ có liên hệ bởi một quy luật biến hóa thống nhất. Để phát hiện quy luật này ông đã dùng 63 chiếc thẻ làm đại diện cho 63 nguyên tố đã biết, với 63 chiếc thẻ này hàng ngày ông sắp xếp chúng theo các quy luật, trật tự khác nhau những mong tìm ra một mối quan hệ chung cho tất cả các nguyên tố nhưng xem chừng công việc có vẻ vô vọng. Đang trong những bế tắc thì một lần tình cờ ông phát hiện ra rằng nếu sắp xếp các nguyên tố theo thứ tự tăng dần của nguyên tử lượng thì sẽ xuất hiện sự biến hóa tính chất liên tục đến độ kì diệu, cứ như là biến hóa của một bản giao hưởng tuyệt vời. Ông không thể giấu nổi niềm vui sướng trước phát hiện mới này và ông tin chắc rằng quy luật này chính là mối quan hệ của tất cả các nguyên tố mà ông hay là các nhà hóa học khác đã cố công tìm kiếm bao lâu nay. Lúc này đây Mendeleev giống như người đang lạc giữa mê cung của những suy nghĩ tưởng chừng như không có lời giải đáp bỗng nhiên tìm được chiếc chìa khóa để mở lối ra. Ông bắt tay vào xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh, và khi quan sát các vị trí còn trống trong bảng hệ thống tuần hoàn của mình, ông đã dự đoán rằng sẽ còn những nguyên tố mới chưa được tìm ra. 

Và dự đoán này chính là một trong những tư duy thiên tài của Mendeleev, đóng góp quan trọng vào việc giúp bảng HTTH Mendeleev đứng vững trước những phản biện từ giới khoa học thời bấy giờ. 

1.2.c. Thực nghiệm và những tiên đoán thiên tài của Mendeleev - Một thời kì hóa học mới lại mở ra: 
Tin tưởng vào phát hiện của mình, Mendeleev đã gửi cho các cơ quan có thẩm quyền và các nhà hóa học trên thế giới những ý kiến về sự sắp xếp mới cho các nguyên tố hóa học và những dự đoán về các nguyên tố mới (gồm 10 nguyên tố, trong đó có 3 nguyên tố số 21, 31 và 32 được ông miêu tả khá tỉ mỉ về tính chất vật lí của đơn chất và một số hợp chất của chúng, 7 nguyên tố còn lại do vị trí của chúng trong bảng HTTH không thuận lợi cho việc tiên đoán nên ông chỉ mới ước lượng được khối lượng nguyên tử), ngoài ra ông còn đính chính lại khối lượng nguyên tử của một số nguyên tố hay hóa trị nguyên tố mà trước đó theo ông là đã bị xác định sai! Kiên trì chờ đợi những phản hồi có tính tích cực nhưng suốt mấy năm trời những tiên đoán của Mendeleev cũng không được chấp nhận do còn chưa được thực nghiệm xác minh tính chính xác, tuy nhiên ông giữ vững niềm tin và kiên trì chờ đợi sự ra đời của những nguyên tố mình đã tiên đoán. Và rồi điều Mendeleev mong chờ cuối cùng cũng đã đến.
Ngày 27.08.1875, nhà hóa học người Pháp P.E. Lecoq De Boisbaudran đã gửi thư thông báo đến viện Hàn lâm khoa học Paris về việc đã tìm ra một nguyên tố mới trong quặng kẽm trắng ở Pyrenees (Pháp), nguyên tố này được phát hiện bằng phương pháp phân tích quang phổ (spectrographic analysis). Boisbaudran gọi nguyên tố mới này là Gali (Gallium), xuất phát từ tênGaule - tên nước Pháp (cũ). Sau khi kiểm nghiệm lại, viện Hàn lâm khoa học Paris đã đăng trên tạp chí của mình và đến khoảng tháng 11.1875 thì tạp chí này đến nước Nga, và Mendeleev quá vui mừng khi đọc được bài báo này bởi nguyên tố Gali có rất nhiều tính chất giống với tính chất của nguyên tố eka-nhôm (eka-aluminium) với số hiệu nguyên tử là 31 mà cách đấy mấy năm ông đã dự đoán được. Tuy nhiên có 1 số điểm khác biệt về những số liệu mà Mendeleev đã tiên đoán với những số liệu mà Boisbaudran đã tính được bằng thực nghiệm. Theo như nhà hóa học Pháp thì Gali có tỉ khối là 4,7 và khối lượng nguyên tử là 59,72 trong khi theo như những tiên đoán của Mendeleev thì eka-nhôm có tỉ khối khoảng 6,0 và khối lượng nguyên tử là khoảng 68. Tin tưởng vào những tiên đoán của mình, Mendeleev đã gửi một bức thư cho Boisbaudran nói về những nghiên cứu trong việc sắp xếp các nguyên tố của mình và những tiên đoán trước đây, ông còn góp ý với Boisbaudran về việc đo lại các số liệu về tỉ khối và khối lượng nguyên tử của Gali. Vốn dĩ cũng là người quan tâm đến việc sắp xếp các nguyên tố hóa học và phân lập các chất hóa học, Boisbaudran đã đồng ý tiến hành kiểm tra lại các số liệu đã tính được trước đây và thật bất ngờ, kết quả xác minh lại cho thấy khối lượng nguyên tử của Gali là 69,72 và tỉ khối là 5,904, rất gần với những tiên đoán của Mendeleev! Và để bày tỏ lòng ngưỡng mộ, tôn kính với thiên tài của Mendeleev, Boisbaudran đã gửi tặng ông món quà kèm bức ảnh với dòng chữ: "Xin gửi Ngài lòng kính trọng sâu sắc và ước ao được Ngài nhận là bạn."



Dự đoán thành công của Mendeleev với trường hợp Gali đã làm cho giới khoa học thời bấy giờ xôn xao vì những nhận định của ông đã bị lãng quên trước đó. Nhiều nhà khoa học đã có lời chúc mừng đến Mendeleev với những tiên đoán thành công của ông, và bảng hệ thống tuần hoàn (HTTH) đã được dịch ra nhiều thứ tiếng, thu hút sự quan tâm của nhiều người. Không chỉ dừng lại ở đó, những năm sau đó các tiên đoán của Mendeleev đã lần lượt được thực nghiệm xác minh. Năm 1879, nhà hóa học Thụy Điển L. Nilson đã tìm ra một nguyên tố mới được đặt tên là Scanđi (Scandium), kí hiệu là Sc. Nguyên tố mới này có nhiều tính chất giống với nguyên tố eka-bo (vị trí số 21 trong bảng HTTH) mà Mendeleev đã từng tiên đoán, những năm sau đó các kết quả thực nghiệm của P. Cleve (Thụy Điển) và W. Fischer (Đức) đã chứng thực được những tiên đoán của Mendeleev phù hợp với thực nghiệm. Năm 1886, nguyên tố eka-silic (vị trí số 32) cũng đã được tìm ra, đó là nguyên tố Gemani (Germanium) với kí hiệu Ge, do nhà hóa học người Đức C. Winkler phát hiện ra trong khoáng vật agorođit (argyrodite). Với sự kiện nguyên tố Ge và eka-silic (được Mendeleev tiên đoán từ sự tồn tại trước đó... 15 năm!) có những tính chất vật lí và hóa học gần như tương đồng với nhau đã chứng tỏ một điều rằng những tiên đoán của Mendeleev là có cơ sở và rất phù hợp với thực tế. Bảng HTTH của Mendeleev đã được giới khoa học công nhận, trở thành một công cụ hỗ trợ đắc lực cho các nhà hóa học trên con đường phát hiện ra những nguyên tố mới. Hơn 100 năm sau, bảng HTTH của Mendeleev vẫn được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Mendeleev còn trải qua nhiều thử thách khi gặp các trường hợp đi ngược lại với các tiên đoán của mình như trường hợp sắp xếp vị trí của Ar và K trong bảng HTTH nhưng ông vẫn kiên định giữ vững những lập trường của mình và đưa ra những lí lẽ phù hợp (với khoa học thời kì đó) để giải thích. 
Đến đầu thế kỉ XX nhờ sự phát triển của Vật lí hiện đại người ta đã chứng minh được quy luật sắp xếp của Mendeleev là ứng với sự tăng dần điện tích hạt nhân. 
Định luật tuần hoàn và bảng HTTH ra đời đã mở ra một chương mới cho hóa học, từ đây các nhà hóa học đã có thể tìm được sợi dây liên hệ giữa các nguyên tố và các hợp chất của chúng với nhau. Giờ đây chúng ta quay trở lại giải quyết câu hỏi tại sao các tiền nhân đi trước ông lại thất bại trong việc tìm ra hệ thống tuần hoàn này? Phải chăng là do họ thiếu may mắn hơn Mendeleev? Không thể phủ nhận một điều rằng việc tìm ra HTTH cũng có một phần may mắn nhưng đó không phải là yếu tố quyết định. Chính bởi vì các nhá hóa học đi trước chỉ dành tập trung vào những nguyên tố hóa học có tính chất giống nhau còn Mendeleev thì lại nghiên cứu mối quan hệ chung, những quy luật chung kết nối các nguyên tố với nhau, đó chính là thiên tài của ông. 
Dù vậy, Mendeleev cũng không phải là người đã hoàn toàn thoát khỏi những chi phối cổ hủ của tư tưởng cũ là nguyên tử không thể bị phân chia, chính vì vậy khi các nhà hóa học trẻ tìm ra những nguyên tố phóng xạ thì ông không dựa trên những vấn đề lí thuyết mới này để phát triển hệ thống nguyên tố của mình mà liên tục đưa ra những tư tưởng phủ định các hiện tượng đã được thực nghiệm xác minh đó, dấu sao cũng là chuyện bình thường trong giai đoạn chuyển giao giữa của hóa học. 
Và lí thuyết về việc xây dựng các hệ thống tuần hoàn cũng còn phát triển tiếp và chúng ta sẽ còn tìm hiểu ở những vấn đề sau này. Còn bây giờ để kết thúc vấn đề đầu tiên của topic này, mời các bạn xem thử bảng HTTH mới nhất do IUPAC cung cấp năm 2005  và vào địa chỉ sau đây khi cần tìm kiếm một số thông tin cơ bản về các nguyên tố hóa học:http://chemistry.about.com/library/blperiodictable.htm