Lịch sử bảng tuần hoàn


                                             Lịch sử bảng tuần hoàn

Lời giới thiệu

Các nhà hoá học luôn tìm cách sắp xếp các nguyên tố hoá học theo một trình tự hợp lý nhằm phản ánh được những sự tương đồng trong tính chất lý hoá của từng nguyên tố.Với lý do này , rất nhiều ý tưởng về bảng tuần hoàn các nguyên tố đã được đề xuất xuyên suốt lịch sử của hoá học. Ngày nay, bảng tuần hoàn hiện đại( của Mendeleev) liệt kê các nguyên tố theo chiều tăng dần điện tích hạt nhân. Tuy nhiên, khối lượng nguyên tử mới được sử dụng như một tiêu chí để sắp xếp nguyên tố trong quá khứ. Điều này là dễ hiểu vì ý tưởng nguyên tử tạo nên bởi các hạt vi mô( proton, electron, neutron) chưa phát triển ngày đó. Tuy thế mà, nền tảng này đã đứng vững một thời gian dài và thậm chí đã từng dự đoán đặc tính của những nguyên tố chưa biết trước khi mô hình nguyên tử xuất hiện.

Những lần đề xuất của các nhà khoa học
Khi hỏi về người phát hiện ra bảng tuần hoàn, bạn chắn chắn sẽ trả lời : Dimitri Mendeleev. Hoàn toàn đúng, thiên tài hoá học người Nga là người đầu tiên công bố bảng tuần hoàn mà chúng ta thừa nhận ngày nay. Nhưng liệu ông có xứng đáng với tất cả công lao và lời ngợi khen ? Câu trả lời có thể còn được tranh luận, có một điều chắc chắn rằng trước Mendeleev , đã có cơ số nhà hoá học đã nghiên cứu các hướng để nhóm nguyên tố thành bảng cái mà được biết đến lúc bấy giờ. Có thể kể tới Antoine Lavoisier với việc chia nguyên tố thành khí, phi kim, kim loại hay Johann Döbereiner đã ghép sodium, lithium, potassium vì nhận ra sự tương đồng trong tính chất. Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu kĩ hơn về ý tưởng bảng tuần hoàn của các nhà hoá học theo chiều phát triển của lịch sử.   


Bộ ba của Johann Döbereiner


Năm 1817, Johann Döbereiner nhận thấy khối lượng nguyên tử Sr rơi vào khoảng khối lượng của Ca và Ba- hai nguyên tố hóa học có tính chất khá tương đồng với nhau. 12 năm sau, ông lại quan sát thấy những quy luật như vậy trong các nhóm halogen( Cl, Br, I) và nhóm kim loại kiềm (Li, Na, K) từ những quan sát này ông đã chia một số nguyên tố được phát hiện trước đó thành những nhóm 3 nguyên tố và gọi chúng là những “bộ ba”. Tính chất chứa đựng trong các “bộ ba” là nguyên tố nằm giữa có tính chất bằng trung cộng tính chất của hai nguyên tố nằm cạnh nó, thứ tự các nguyên tố được sắp xếp theo sự tăng dần trọng lượng nguyên tử. Cách chia nhóm này tuy không hợp lý với các nguyên tố khác, nhưng đã mở ra hướng tư duy ban đầu cho những ai đang nỗ lực xây dựng hệ thống nguyên tố.

Johann Döbereiner(1780-1849)



Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois và chiếc ốc vít 

Liệu Pháp có thể cho rằng bảng tuần hoàn đầu tiên thuộc về mình không ? Có lẽ là không, nhưng họ có quyền tự hào khi Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois- một nhà địa chất người Pháp đã tạo nên một bước tiến quan trọng hướng tới bảng tuần hoàn, mặc dù không nhiều người ở thời điểm đấy biết về điều này.

Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois là một nhà địa chất, nhưng ở thời đấy tính chuyên môn hóa của các nhà khoa học không cao như hiện tại. Chiếc đinh vít- cống hiến của ông tới hóa học, sự sắp xếp nguyên tố ba chiều bước đầu cho chúng ta những hình dạng về sự sắp xếp tuần hoàn nguyên tố năm 1862.


Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois (1820-1886) và bảng tuần hoàn của ông


 Chiếc đinh vít đã vẽ khối lượng nguyên tử bên ngoài hình trụ, sao cho một lượt hoàn chỉnh tương ứng với chiều tăng nguyên tử khối là 16. Mô hình cho thấy rằng, các nguyên tử nhất định nằm trên một đường thẳng có những tính chất tương tự nhau. Tuy vậy chiếc đinh vít không hoàn toàn miêu tả chính xác tất cả các xu hướng được biết ở thời điểm đấy, De Chancourtois cũng là người đầu tiên sử dụng sự sắp xếp tuần hoàn nguyên tố cùng với đó những nguyên tố tương đồng xuất hiện theo khối lượng nguyên tử tuần hoàn.

John Newlands và quãng tám trong hóa học
John Newlands là người Anh, ông được giáo dục bởi cha tại nhà trước khi học một năm (1856) ở đại học hóa học hoàng gia, nơi sau đó là một phần của đại học hoàng gia London. Sau đó ông làm việc tại một đại học nông nghiệp trong nỗ lực tìm kiếm một “khuôn” cho tính chất trong hóa học hữu cơ. Tuy nhiên, ông lại được nhớ đến bởi phát hiện trong hóa học vô cơ.

Chỉ 4 năm trước khi Mendeleev công bố bảng tuần hoàn của riêng mình, Newlands đã nhận thấy rằng có những điểm tương đồng giữa những nguyên tố với khối lượng nguyên tử hơn thua 7 đơn vị. Ông ấy đã gọi đây luật quãng tám ( law of Octaves)- so sánh với quy luật quãng tám của âm nhạc. Những khí hiếm (Helium, Neon, Argon,…) đã không được tìm thấy cho tới sau này , cái giải thích tại sao tính tuần hoàn là 7 chứ không phải 8 trong bảng Newlands. Newlands đã không để một khoảng trống nào cho những nguyên tố không được tìm kiếm trong bảng của ông, và đôi khi phải bỏ đi 2 nguyên tố để giữ nguyên xu hướng đã định. Chính vì lý do này, Cộng đồng hóa học đã từ chối công bố của ông.

Thậm chí khi Mendeleev đã công bố bảng của ông và Newlands vẫn nhận tự đã phát hiện ra đầu tiên, cộng đồng hóa học chẳng giúp đỡ Newlands. Năm 1884 ông đã được đề nghị một bài giảng về quy luật tuần hoàn bởi Cộng đồng được coi như hướng tới sự đền bù. Cuối cùng, ở 1998 Cộng đồng hóa học hoàng gia đã đặt một huy hiệu kỷ niệm trên tường nơi sinh của Newlands như để thừa nhận những phát hiện của nhà hóa học người Anh.




                             
Quy luật tuần hoàn của Julius Lothar Meyer
Meyer được đào tạo tại đại học Heidelberg dưới Bunsen và Kirchhoff, cũng như Mendeleev. Vì vậy hai nhà khoa học này chắc chắn biết lẫn nhau mặc dù cả 2 đều không biết tất cả về công trình nghiên cứu của nhau. Meyer hơn Mendeleev 4 tuổi và đã tạo ra một số bảng tuần hoàn trong khoảng từ 1864-1870.

Bảng tuần hoàn đầu tiên của ông chỉ chứa 28 nguyên tố, được sắp xếp theo hóa trị của chúng ( số nguyên tử khác mà chúng có thể kết hợp cùng). Những nguyên tố này hầu như toàn bộ là phân nhóm chính, nhưng trong 1868 ông đã kết hợp những nguyên tố chuyển tiếp trong bảng phát triển hơn. Bảng 1868 đã liệt kê các nguyên tố theo quy luật khối lượng nguyên tử, với những nguyên tử giống nhau về hóa trị được đặt trong một hàng dọc , tương đồng với bảng Mendeleev. Không may cho Meyer, nghiên cứu này đã không được công bố cho tới 1870, một năm sau bảng tuần hoàn Mendeleev được công bố. Thậm chí sau 1870, Meyer và Mendeleev vẫn không biết công trình của nhau, mặc dù Meyer sau đó đã thừa nhận rằng Mendeleev đã xuất bản phiên bản đầu tiên của mình.

Meyer đã đóng góp vào sự phát triển của bảng tuần hoàn theo một cách khác. Ông là người đầu tiên thừa nhận các xu hướng tuần hoàn trong tính chất của các nguyên tố và biểu đồ cho thấy mô hình ông cho thấy  thể tích nguyên tử của nguyên tố liên hệ với trọng lượng nguyên tử của nó.



 Julius Lothar Meyer và đồ thị miêu tả quy luật tuần hoàn giữa thể tích và khối lượng nguyên tố


Bảng tuần hoàn của Dmitri Mendeleev
Như chúng ta đã thấy, Mendeleev không phải là người đầu tiên tìm ra quy luật trong các nguyên tố, nhưng đó lại là lần thử thành công đặt nền tảng cho bảng tuần hoàn hiện đại bây giờ.

Nhưng xuất phát của Mendeleev lại không quá thuận lợi. Ông sinh ra tại Tobolsk năm 1834, là người con út trong gia đình đông con Siberian. Cha ông mất khi ông còn trẻ, vì vậy mẹ ông đã quyết định đưa gia đình đi 1500km tới St.Peterburg, tại đây bà cho Dmitri tới một trường học tốt- nơi thừa nhận tiềm năng của ông. Ông là một nhà khoa học tài giỏi nổi lên rất nhanh trong giới học thuật. Ông đã viết cuốn Chemical Principles bởi vì ông không thể tìm nổi một cuốn sách Nga đầy đủ.




Dmitri Mendeleev (1834-1907)

Mendeleev đã phát hiện ra bảng tuần hoàn ( hay hệ thống tuần hoàn như ông gọi ) trong khi cố gắng sắp xếp các nguyên tố vào tháng 2 năm 1869. Ông làm vậy bằng cách viết tính chất các nguyên tố trên một tấm thẻ, sắp xếp và xếp lại tới khi ông nhận ra quy luật, bằng cách đặt chúng theo thứ tự tăng dần khối lượng nguyên tử, một số kiểu nguyên tố đều đặn xảy ra. Như là, phi kim hoạt động theo sau bởi kim loại hoạt động nhẹ và kim loại nhẹ kém hoạt động hơn. Bản đầu, bảng tuần hoàn này có những nguyên tố tương tự trong dãy, nhưng Mendeleev sau đó đã đặt chúng trong một cột- nhóm của chúng ta ngày nay.


Thiên tài thực sử của thành tựu Mendeleev đã để lại khoảng cách cho những nguyên tố chưa được khai quật. Ông thậm chí dự đoán đặc tính 5 trong các nguyên tố này và hợp chất của chúng. Và sau 15 năm tiếp theo, 3 trong các nguyên tố này đã được khai quật và dự đoán của thiên tài người Nga đã cho thấy một sự chính xác không tưởng. Bảng dưới đấy mô tả Gallium – nguyên tố được Mendeleev gọi là eka-alluminum, bởi vì nó là nguyên tố sau nhôm. Scandium và Germanium là 2 nguyên tố khác được tìm trong 1886, và đã giúp nâng cao danh tiếng của bảng tuần hoàn Mendeleev.

Thành công cuối của Mendeleev là ngoài sức chờ đợi. Sự phát hiện khí hiếm trong những năm 1890 bởi William Ramsay ban đầu được coi là mâu thuẫn với công trình của Mendeleev, cho tới khi nhận ra nó chính xác là một phần của hệ thống , nằm ở nhóm cuối cùng của bảng tuần hoàn của ông. Điều này đã cho một bảng với tính tuần hoàn là 8 như ta đã biết, thay vì 7. Mendeleev chưa bao giờ nhận giải thưởng Nobel cho công trình vĩ đại này, nhưng nguyên tố thứ 101 với cái tên Mendelevium còn là sự công nhận tuyệt vời hơn.


Eka-aluminium(Ea)
Gallium(Ga)
Khối lượng nguyên tử
Khoảng 68
69.72
Khối lượng riêng
6.0 g/cm3
5.9 g/cm3
Điểm nóng chảy
Thấp
29.78oC
Hóa trị
3
3
Phương pháp tìm kiếm
Phổ( nhiều khả năng)
Phổ
Oxide
Công thức Ea2O3, khối lượng riêng 5.5g/cm3. Tan trong cả acid và chất kiềm
Công thức Ga2O3, khối lượng riêng 5.88g/cm3. Tan trong cả acid và chất kiềm


Chiếc tem kỉ niệm về Mendeleev và bảng tuần hoàn gốc của ông



Henry Mosley: tia X và só nguyên tử
Cho đến năm 1913, 6 năm sau cái chết của Mendeleev , yếu tố cuối cùng tạo nên bảng tuần hoàn hiện đại ngày nay đã được tìm thấy. Bảng tuần hoàn trước đấy được xếp theo khối lượng nguyên tử, gần như luôn đúng với quy luật số nguyên tử sau này. Tuy nhiên có một số ngoại lệ như iodine và tellurium. Mendeleev đã thấy cần thiết để đổi chỗ những nguyên tố này, nhưng Moseley cuối cùng đã giải thích lý do tại sao.

 Henry Mosley ( 1887-1915)
Moseley bắt tia X-ray vào mẫu nguyên tố, và đo bước sóng mà tia X-ray cho. Ông đã sử dụng dữ kiện này để tính tần số và thấy rằng căn bậc hai của tần số này được vẽ cùng với số nguyên tử, đồ thị là đường thẳng tuyến tính. Ông dùng cách này để tính chính xác số nguyên tử. Khi thế chiến thể giới thứ nhất nổ ra, Mosley đã từ chối một vị trí giáo sư ở Oxford để trở thành một thành viên trong đội Kĩ Sư Hoàng Gia. Ông đã bị giết bởi một xạ thủ ở Thổ Nhĩ Kỳ vào tháng 8 năm 1915 và nhiều người cho rằng nước Anh đã mất đi một Nobel hóa học trong tương lai.

Trong 10 năm nghiên cứu, cấu trúc nguyên tử đã được xác định thông qua công trình của nhiều nhà khoa học lỗi lạc thời điểm đáy, và điều này đã giải thích thêm tại sao tia X của Moseley tương ứng tốt với số nguyên tử. Ý tưởng đằng sau lời giải thích là khi một điện tử rơi từ mức năng lượng cao xuống mức thấp hợp, nó tỏa ra một năng lượng dưới dạng sóng điện từ( ở đây là tia X). Lượng năng lượng tỏa ra phụ thuộc vào độ mạnh yếu mà điện tử gắn với hạt nhân. Nguyên tử càng có nhiều proton trong hạt nhân thì điện tử càng bị hút mạnh hơn và năng lượng càng phóng ra nhiều hơn tương ứng. Như chúng ta biết, số nguyên tử bằng số proton, và proton xác định năng lượng của tia X.


Tiến trình phát triển của bảng tuần hoàn theo thời gian                                                                 

1680: Robert Boyle đã tìm ra nguyên tố Phosphorus
1809: hơn 47 nguyên tố được tìm ra và các nhà khoa học bắt đầu tìm quy luật trong tính chất
1863: nhà hóa học người Anh John Newlands đã chia 56 nguyên tố thành 11 nhóm dựa vào tính chất của chúng
1869: nhà hóa học người Nga bắt đầu phát triển bảng tuần hoàn , sắp xếp các nguyên tố hóa học theo khối lượng nguyên tử. Ông để lại chỗ trống cho những nguyên tố chưa được tìm ra
1886: nhà vật lý Antoine Bequerel tìm ra phóng xạ lần đầu tiên
1894: William Ramsay và Lord Rayleigh đã phát hiện ra khí hiếm
1897: nhà vật lý J.J.Thomson lần đầu tìm ra điện tử-phần âm của nguyên tử. John Townsend và Robert Millikan đã xác định chính xác điện tích và khối lượng
1903: Rutherford công bố rằng phóng xạ gây ra bởi sự phá vỡ hạt nhân
1911: Rutherford và nhà vật lý Hans Geiger đã tìm ra điện tử quay xung quanh hạt nhân nguyên tử
1913: Bohr tìm ra điện tử di chuyển xung quanh hạt nhân gọi là orbitals. Bức xạ được phát ra trong suốt quá trình di chuyển từ một orbital sang orbital khác
1914: Rutherford lần đầu tìm ra proton trong hạt nhân nuyên tử. Nhà vật lý người Anh Henry Moseley đã cung cấp số nguyên tử dựa trên số điện tử trong nguyên tử thay vì dựa trên khối lượng nguyên tử
1932:James Chadwick lần đầu tìm ra neutrons và đồng phân
1945: Glenn Seaborg tìm ra nhóm lanthanides và actinides





Lời kết
Sau nhiều năm nghiên cứu, cuối cùng chúng ta đã có bảng tuần hoàn thực sự hoàn chỉnh, và sự thật chúng ra vẫn luôn sử dụng nó ngày nay như là bằng chứng của công trình khổng lồ của những trí tuệ tuyệt với trong khoảng 2 thế kỉ nghiên cứu khoa học về trước





References: Development of Periodic table( published by Royal Society of Chemistry)
                    History of Periodic table( lenntech.com)
                    Theo bước thiên tài Mendeleev