Điều làm bảng tuần hoàn của Dmitri Mendeleev khác những người đi trước là ông dám chừa ô trống cho những nguyên tố chưa ai tìm thấy, rồi đoán trước khối lượng, tỉ khối và cách chúng phản ứng. Khi gali, scandi, gemani lần lượt được phát hiện trong mười mấy năm sau đó, lời đoán của ông khớp đến mức làm cả giới hoá học phải chú ý.
Chào bạn, đây là Nhà Hoá Học. Tấm bảng treo trong mọi phòng học hoá ấy có một câu chuyện ra đời đầy kịch tính, và một bài học về khoa học mà mình nghĩ ai cũng nên nghe.
Một mớ nguyên tố rối ren
Giữa thế kỷ mười chín, các nhà hoá học đã biết khoảng sáu mươi mấy nguyên tố. Họ đo được khối lượng nguyên tử tương đối của chúng, biết nguyên tố nào phản ứng mạnh với nước, nguyên tố nào tạo ôxit kiểu gì. Nhưng tất cả còn là một danh sách rời rạc.
Nhiều người đã nhận ra có những nhóm nguyên tố giống nhau, như liti, natri, kali đều là kim loại mềm phản ứng mạnh với nước, hay clo, brom, iốt đều là những chất có tính chất tương tự. Đã có vài cách sắp xếp được đề xuất, nhưng chưa cách nào thuyết phục được số đông.
Mendeleev khi đó là giáo sư hoá học ở Sankt Peterburg, đang viết một cuốn giáo trình. Ông cần một cách trình bày các nguyên tố cho sinh viên sao cho có trật tự, không phải học thuộc từng chất một.
Theo nhiều lời kể, ông viết tên từng nguyên tố cùng khối lượng và tính chất lên những tấm thẻ, rồi bày ra bàn, xếp đi xếp lại như chơi bài. Có giai thoại kể rằng ông thấy cách sắp xếp trong giấc mơ, nhưng đó là giai thoại, không có gì xác nhận.
Xếp theo khối lượng, nhưng không mù quáng
Năm một nghìn tám trăm sáu mươi chín, Mendeleev công bố bảng của mình. Ông xếp các nguyên tố theo khối lượng nguyên tử tăng dần, và nhận ra tính chất lặp lại theo chu kỳ: cứ sau một quãng, lại xuất hiện một nguyên tố giống nguyên tố phía trên.
Điểm táo bạo đầu tiên là ông không tuân theo khối lượng một cách máy móc. Ở vài chỗ, nếu xếp đúng thứ tự khối lượng thì một nguyên tố sẽ rơi vào nhóm có tính chất hoàn toàn khác. Ví dụ telu và iốt: telu nặng hơn iốt một chút, nhưng iốt rõ ràng thuộc họ với clo, brom. Mendeleev đổi chỗ hai nguyên tố, ưu tiên tính chất hoá học.
Ông cho rằng có lẽ khối lượng đo được bị sai. Điều đó hoá ra không phải vậy, nhưng trực giác ưu tiên tính chất của ông thì đúng, và phải hơn bốn mươi năm sau mới có lời giải thích.
Cùng thời đó, nhà hoá học người Đức Lothar Meyer cũng xây dựng một bảng tương tự một cách độc lập. Lịch sử khoa học thường có những phát hiện xuất hiện gần như cùng lúc ở nhiều nơi.
Điểm táo bạo nhất: những ô trống
Giờ mình nói sang điều làm nên tên tuổi Mendeleev. Khi xếp, ông thấy có những chỗ nếu đặt nguyên tố tiếp theo vào sẽ làm lệch cả hàng. Thay vì ép, ông để trống, và tuyên bố rằng ở đó có những nguyên tố chưa được phát hiện.
Không dừng ở đó, ông còn dự đoán tính chất của chúng dựa vào các nguyên tố xung quanh. Một ô nằm dưới nhôm, ông gọi tạm là eka nhôm, nghĩa là cái tiếp theo sau nhôm. Một ô dưới silic, gọi là eka silic. Một ô liên quan đến bo, gọi là eka bo. Ông đoán khối lượng, tỉ khối, công thức ôxit, độ tan.
Đó là một cú đặt cược rất lớn. Nếu những nguyên tố đó không bao giờ được tìm thấy, hoặc tính chất khác xa, bảng của ông sẽ chỉ là một cách sắp xếp đẹp mắt. Nhưng nếu đúng, nó sẽ chứng minh bảng phản ánh một quy luật thật của tự nhiên.
Đây chính là tinh thần của một giả thuyết khoa học tốt: dám nói trước điều gì sẽ xảy ra, chấp nhận khả năng bị bác bỏ.
Gali, scandi, gemani lần lượt xuất hiện
Năm một nghìn tám trăm bảy mươi lăm, nhà hoá học Pháp Lecoq de Boisbaudran phát hiện một nguyên tố mới bằng cách phân tích quang phổ, đặt tên là gali. Tính chất của nó khớp với eka nhôm của Mendeleev.
Có một chi tiết rất hay được kể lại. Lecoq đo tỉ khối của gali và ra con số thấp hơn dự đoán của Mendeleev. Mendeleev viết thư gợi ý rằng mẫu có lẽ chưa đủ tinh khiết. Khi Lecoq tinh chế kỹ hơn và đo lại, con số tiến sát dự đoán. Một người chưa từng thấy nguyên tố đó lại đoán tỉ khối chính xác hơn người đang cầm nó trong tay.
Vài năm sau, nhà hoá học Thuỵ Điển Lars Nilson tìm ra scandi, khớp với eka bo. Năm một nghìn tám trăm tám mươi sáu, nhà hoá học Đức Clemens Winkler tìm ra gemani, khớp với eka silic, và lần này các dự đoán về khối lượng, tỉ khối, tính chất ôxit đều sát đến bất ngờ.
Từ đó, bảng tuần hoàn không còn là một ý tưởng mà trở thành công cụ trung tâm của hoá học. Một nguyên tố tổng hợp sau này được đặt tên là mendelevi để vinh danh ông.
Điều Mendeleev chưa giải thích được
Mendeleev biết các nguyên tố lặp lại theo chu kỳ, nhưng ông không biết vì sao. Thời đó người ta chưa biết nguyên tử có cấu tạo bên trong, chưa biết proton, electron.
Câu trả lời đến vào đầu thế kỷ hai mươi. Nhà vật lý trẻ người Anh Henry Moseley, qua thí nghiệm với tia X, cho thấy thứ quyết định vị trí của nguyên tố không phải khối lượng mà là số hiệu nguyên tử, tức số proton trong hạt nhân. Xếp theo số hiệu, telu và iốt tự động đúng chỗ, không cần đổi.
Sau đó, cấu trúc lớp electron giải thích được vì sao các nguyên tố trong cùng một nhóm giống nhau: chúng có cùng số electron ở lớp ngoài cùng. Bảng tuần hoàn hoá ra là bản đồ của cấu tạo nguyên tử, dù người vẽ ra nó chưa hề biết nguyên tử có bên trong.
Cũng có điều ông không đoán trước: cả một cột khí hiếm như heli, neon, agon được phát hiện vào cuối thế kỷ mười chín, phải thêm hẳn một nhóm mới vào bảng. Tấm bảng vẫn chứa được chúng, đó là dấu hiệu của một quy luật đủ mạnh. Lần tới nhìn tấm bảng tuần hoàn, bạn thử tìm ô của gali, và nhớ rằng nó từng là một ô trống mà một người dám để lại.
Câu hỏi thường gặp
Mendeleev có được giải Nobel không?
Không. Ông được đề cử nhưng chưa nhận giải trước khi mất vào năm một nghìn chín trăm linh bảy. Đây là một trong những trường hợp hay được nhắc đến trong lịch sử giải Nobel.
Bảng tuần hoàn hiện nay có bao nhiêu nguyên tố?
Bảng hiện nay có một trăm mười tám nguyên tố đã được xác nhận và đặt tên, hoàn thành đến hết hàng thứ bảy. Các nguyên tố nặng nhất được tổng hợp trong phòng thí nghiệm và tồn tại rất ngắn.
Vì sao gọi là bảng tuần hoàn?
Vì tính chất của các nguyên tố lặp lại có chu kỳ, tuần hoàn, khi xếp theo số hiệu nguyên tử. Mỗi hàng là một chu kỳ, mỗi cột là một nhóm có tính chất tương tự.
Có còn ô trống nào trong bảng tuần hoàn không?
Hiện các ô đến số một trăm mười tám đã được lấp đầy. Các nhà khoa học vẫn đang tìm cách tổng hợp những nguyên tố nặng hơn, sẽ mở ra hàng thứ tám.
Học bảng tuần hoàn có cách nào dễ nhớ không?
Thay vì học thuộc thứ tự, hãy hiểu quy luật: cùng nhóm thì tính chất giống nhau, đi từ trái sang phải tính kim loại giảm dần. Nắm quy luật rồi, các ô sẽ tự có ý nghĩa.
