Những con số làm nên vũ trụ - Phần 28

Dmitri Mendeleyev và bảng tuần hoàn các nguyên tố

Vào lúc Cannizzaro khiến Avogadro nổi tiếng, các nhà hóa học trên thế giới đã khám phá ra sáu mươi ba nguyên tố. Mặc dù lúc này họ đã có một công cụ xác định cấu tạo nguyên tử của các hợp chất, nhưng họ vẫn những quy tắc chung mô tả các nguyên tử khác nhau, và các hợp chất do chúng tạo nên, trông như thế nào. Ví dụ, khi sodium, một kết luận nhẹ, dễ nổ, kết hợp hóa học với chlorine, một chất khí độc màu vàng lục, kết quả là muối ăn thông dụng, sodium chloride, một hợp chất không phải, không phải chất khí, không độc, cũng không dễ nổ. Cho đến khi khám phá ra các quy tắc, tiềm năng của hóa học sẽ bị hạn chế.

Giữa tình hình rối ren này đã xuất hiện Dmitri Mendeleyev, một nhà hóa học người Nga, ông quyết định thử sắp xếp các nguyên tố đã biết vào một khuôn phép nào đó. Để làm việc này, trước tiên ông sắp xếp những nguyên tố này theo trật tự tăng dần của trọng lượng nguyên tử, chính tính chất vật lí đã thu hút sự chý ý của John Dalton khi ông nghĩ ra thuyết nguyên tử. Sau đó ông đặt thêm một mức trật tự nữa bằng cách nhóm các nguyên tố theo những tính chất thứ cấp như tính kim loại và hoạt tính hóa học – mức tự do mà các nguyên tố kết hợp với những nguyên tố khác.

Kết quả của những cân nhắc của Mendeleyev là bảng tuần hoàn đầu tiên của các nguyên tố, một sự sắp xếp dạng bảng của các nguyên tố theo hàng và theo cột. Trọng lượng nguyên tử tăng từ trái sang phải trong mỗi hàng, và tăng từ trên xuống dưới trong mỗi cột, và, thật ra, mỗi cột được đặc trưng bởi một tính chất hóa học nhất định – các kim loại kiềm là một cột, và các chất khí trơ là một cột khác.

Khi Mendeleyev bắt đầu công trình của ông, người ta chưa biết hết các nguyên tố hóa học. Hệ quả là có những ô trống rải rác trong bảng tuần hoàn, những nơi Mendeleyev trông đợi có một nguyên tố với một trọng lượng nguyên tử và hóa tính nhất định nằm ở đó, nhưng không có nguyên tố nào như thế đã biết là tồn tại. Với lòng tin tuyệt đối, Mendeleyev đã dự đoán việc khám phá ba nguyên tố như thế trong tương lai, cho biết trọng lượng nguyên tử gần đúng và hóa tính của chúng trước khi sự tồn tại của chúng được chứng minh. Dự đoán nổi tiếng nhất của ông là một nguyên tố Mendeleyev gọi tên là eka-silicon. Nằm giữa silicon và thiếc trong một cột, Mendeleyev dự đoán nó sẽ là một kim loại có những tính chất tương tự như silicon và thiếc. Ngoài ra, ông còn đưa ra một số tiên đoán định lượng khác: tỉ trọng của nó sẽ gấp 5,5 lần tỉ trọng của nước, oxide của nó sẽ đậm đặc hơn nước 4,7 lần, nó sẽ có màu xám, vân vân. Khi eka-silicon (sau này gọi tên là germanium) được khám phá ra chừng hai mươi năm sau đó, các dự đoán của Mendeleyev được xem là đáng đồng tiền bát gạo.

Ngoài việc là một trong những nguyên tắc tổ chức lớn của khoa học, bảng tuần hoàn còn có tầm quan trọng thực tiễn hết sức to lớn. Nếu một hợp chất là có ích nhưng có một số tính chất không mong muốn do một trong những nguyên tử cấu tạo của nó, người ta có thể tìm một hợp chất tốt hơn cho mục đích tương tự bằng cách thay một nguyên tử hóa tính giống như vậy vào chỗ của nguyên tử gây trở ngại. Đối với những người phải điều hòa lượng sodium trong cơ thể, một giải pháp có thể chấp nhận là cái gọi là muối ăn nhẹ, trong đó potassium chloride thay thế cho sodium chloride. Vị giống như vậy, nhưng tác dụng của nó lên huyết áp thì không giống.

Các nhà khoa học thường phát triển những lí thuyết của họ theo kiểu bất ngờ. Mendeleyev phải sắp xếp lại không biết bao nhiêu lần bảng tuần hoàn của ông, vì ông không biết bắt đầu với bao nhiêu hàng và bao nhiêu cột. Để viết ra kết quả của từng thử nghiệm đòi hỏi sự kiên nhẫn. Vì thế Mendeleyev bố trí một cái bàn thẻ, trong đó mỗi tấm thẻ ghi tên và tính chất của một nguyên tố nhất định. Chơi bài một mình với cái bàn thẻ này thì dễ hơn và thú vị hơn so với việc thử những khả năng khác nhau cho bảng tuần hoàn. (Cũng hợp lí, tên gọi hồi thế kỉ mười chín cho một phiên bản bài chơi một người là Patience [Kiên nhẫn])