Antoine Lavoisier chứng minh khối lượng không mất đi cũng không tự sinh ra trong phản ứng hoá học nhờ một thói quen nghe rất đơn giản mà làm rất triệt để: cân mọi thứ, trước và sau phản ứng, trong bình kín, kể cả không khí. Từ những chiếc cân ấy, ông lật đổ thuyết nhiên tố đang thống trị và giải thích đúng sự cháy là sự kết hợp với ôxy.
Chào bạn, đây là Nhà Hoá Học. Nhiều người gọi Lavoisier là cha đẻ của hoá học hiện đại. Tập này mình kể vì sao, và vì sao câu chuyện của ông kết thúc dưới lưỡi máy chém.
Thuyết nhiên tố: một lời giải thích nghe rất hợp lý
Thế kỷ mười tám, các nhà hoá học châu Âu giải thích sự cháy bằng thuyết nhiên tố. Theo thuyết này, mọi vật cháy được đều chứa một thứ gọi là nhiên tố. Khi cháy, nhiên tố thoát ra, để lại tro. Gỗ cháy thành tro nhẹ hơn, nghe rất hợp lý.
Thuyết này giải thích được khá nhiều hiện tượng. Ngọn nến trong bình kín tắt dần vì không khí đã no nhiên tố, không nhận thêm được. Than cháy gần hết vì than gần như toàn là nhiên tố.
Nhưng có một chuyện khó chịu. Khi nung một số kim loại như thiếc, chì trong không khí, chúng biến thành một lớp gỉ bột mà người thời đó gọi là vôi kim loại, và lớp gỉ ấy nặng hơn kim loại ban đầu. Nếu nhiên tố thoát ra, sao lại nặng lên.
Một số người giải thích rằng nhiên tố có khối lượng âm. Đó là kiểu lời giải thích chữa cháy mà mình từng nói ở các tập về phương pháp khoa học: khi kết quả đi ngược, người ta vá lại lý thuyết thay vì nghi ngờ nó.
Chiếc cân và cái bình kín
Lavoisier tiếp cận khác. Ông là người cực kỳ coi trọng đo lường, đặt làm những chiếc cân chính xác bậc nhất thời đó. Và ông làm thí nghiệm trong bình kín, để không có gì lọt vào hay thoát ra mà không được tính.
Ông nung thiếc trong một bình thuỷ tinh hàn kín. Thiếc biến thành gỉ, nặng lên. Nhưng khi cân cả bình trước và sau, tổng khối lượng không đổi. Khi mở bình, không khí ùa vào, bình nặng thêm. Nghĩa là thiếc đã lấy đi một phần không khí trong bình để thành gỉ.
Từ những thí nghiệm như vậy, ông đi đến kết luận: trong phản ứng hoá học, tổng khối lượng các chất trước và sau là như nhau, chỉ là chúng sắp xếp lại. Câu nói nổi tiếng thường được gán cho ông là không có gì mất đi, không có gì tự tạo ra, mọi thứ chỉ biến đổi, dù đó là cách diễn đạt dân gian hoá ý của ông.
Ý tưởng khối lượng được bảo toàn đã từng được một số người trước đó nhắc tới, nhưng Lavoisier là người biến nó thành nền tảng làm việc, dùng nó như một công cụ để kiểm tra mọi phản ứng.
Không khí lửa và cái tên ôxy
Giờ mình nói sang chất khí đã thay đổi tất cả. Năm một nghìn bảy trăm bảy mươi tư, nhà hoá học Anh Joseph Priestley nung một loại gỉ thuỷ ngân và thu được một thứ khí làm nến cháy sáng rực, chuột sống lâu hơn trong bình kín. Ông gọi nó là không khí đã khử nhiên tố. Nhà hoá học Thuỵ Điển Carl Wilhelm Scheele cũng tìm ra khí này một cách độc lập.
Priestley kể lại thí nghiệm khi sang Paris và gặp Lavoisier. Lavoisier lặp lại, đo đạc kỹ, và đưa ra một cách hiểu hoàn toàn khác: đây không phải không khí thiếu nhiên tố, mà là một nguyên tố riêng, chính là phần của không khí kết hợp với kim loại khi nung, kết hợp với than khi cháy.
Ông đặt tên nó là ôxy, ghép từ gốc Hy Lạp nghĩa là sinh ra axit, vì ông tin mọi axit đều chứa ôxy. Điều này về sau hoá ra không đúng, axit clohiđric chẳng hạn không có ôxy, nhưng cái tên thì ở lại.
Ông còn chứng minh nước không phải nguyên tố như người xưa nghĩ, mà là hợp chất của hiđrô và ôxy, bằng cả cách tổng hợp lẫn phân tách. Thuyết nhiên tố dần sụp đổ.
Một ngôn ngữ mới cho hoá học, và người cộng sự thầm lặng
Lavoisier không chỉ làm thí nghiệm. Ông cùng vài đồng nghiệp xây dựng một hệ thống đặt tên hoá học mới, dựa trên thành phần của chất thay vì những cái tên giả kim mơ hồ. Rất nhiều tên gọi hợp chất ngày nay vẫn đi theo logic đó.
Năm một nghìn bảy trăm tám mươi chín, ông xuất bản một cuốn giáo trình hoá học sơ cấp, trong đó có danh sách các chất ông coi là nguyên tố. Danh sách có nhiều chất đúng, nhưng cũng có cả ánh sáng và nhiệt chất, cho thấy ngay cả người làm cách mạng cũng mang theo hiểu biết của thời mình.
Người đứng sau nhiều công việc của ông là vợ, Marie Anne Paulze Lavoisier. Bà học hoá học, dịch các công trình tiếng Anh sang tiếng Pháp cho chồng đọc, ghi chép thí nghiệm, và vẽ những bản minh hoạ dụng cụ thí nghiệm rất tỉ mỉ trong sách của ông.
Trong lịch sử khoa học, có rất nhiều người cộng sự thầm lặng như vậy, và phải rất lâu sau, vai trò của họ mới được nhắc đến đầy đủ.
Cái chết dưới máy chém
Ngoài công việc khoa học, Lavoisier còn là thành viên của một tổ chức tư nhân được nhà vua giao thu thuế. Công việc này mang lại tiền để ông xây phòng thí nghiệm, nhưng cũng khiến ông bị dân chúng căm ghét, vì tổ chức thu thuế ấy nổi tiếng hà khắc.
Trong giai đoạn khủng bố của Cách mạng Pháp, các thành viên tổ chức thu thuế bị bắt, bị xét xử. Năm một nghìn bảy trăm chín mươi tư, Lavoisier bị đưa lên máy chém.
Theo lời kể, nhà toán học Lagrange đã nói rằng người ta chỉ cần một khoảnh khắc để chặt đứt cái đầu ấy, nhưng có lẽ một trăm năm cũng chưa chắc sinh ra được một cái đầu như vậy. Đó là lời kể được lưu truyền rộng, dù khó kiểm chứng từng chữ.
Di sản của Lavoisier nằm ở thói quen ông để lại cho hoá học: đo, cân, tính đủ mọi thứ vào và ra. Lần tới bạn đốt một tờ giấy và thấy tro nhẹ tênh, hãy nhớ rằng phần khối lượng biến mất ấy không biến mất, nó chỉ bay vào không khí dưới dạng khí cacbonic và hơi nước.
Câu hỏi thường gặp
Định luật bảo toàn khối lượng có đúng tuyệt đối không?
Trong phản ứng hoá học thông thường, nó đúng với độ chính xác của mọi phép cân. Trong phản ứng hạt nhân, một phần khối lượng chuyển thành năng lượng rất lớn, khi đó cần nói đến bảo toàn năng lượng và khối lượng cùng nhau.
Vì sao gỗ cháy thì nhẹ đi mà sắt gỉ thì nặng lên?
Gỗ cháy tạo ra khí cacbonic và hơi nước bay đi, nên phần còn lại nhẹ hơn. Sắt gỉ thì giữ lại ôxy và nước từ không khí trong lớp gỉ, nên nặng lên. Cả hai đều tuân theo bảo toàn khối lượng nếu tính cả không khí.
Ai thật sự phát hiện ra ôxy?
Scheele và Priestley đều điều chế được ôxy trước, độc lập với nhau. Lavoisier là người hiểu đúng bản chất của nó và đặt tên. Đây là một ví dụ phát hiện khoa học có nhiều người góp công.
Bà Lavoisier sau đó ra sao?
Bà bị giam một thời gian rồi được thả, về sau tiếp tục bảo tồn và xuất bản các công trình của chồng. Bà cũng duy trì một phòng khách khoa học ở Paris.
Học sinh nên nhớ gì từ câu chuyện Lavoisier?
Rằng một phép đo cẩn thận có thể lật đổ một lý thuyết được tin cả trăm năm. Và khi cân bằng phương trình hoá học ở lớp, bạn đang làm đúng điều Lavoisier đã dạy.
