Bảng tuần hoàn hóa học tốc hành (Phần 1)

Giới thiệu

Bảng tuần hoàn là một trong những viên ngọc quý của khoa học. Việc phân loại các nguyên tố là một trong những khám phá vĩ đại nhất và đáng giá nhất, và được xếp vào bậc khái quát hóa cao nhất về vũ trụ của chúng ta. Hình dạng kiểu lâu đài của bảng tuần hòa đã trở thành một biểu tượng thiết kế dễ nhận ra ngay tức thì – một chi tiết thường trực (mặc dù không phải bất biến) trên tường của phòng thí nghiệm hóa học, và trên mọi thứ từ ly tách cho đến những chiếc cà vạt mới lạ.

Nhà hóa học Nga Dmitri Mendeleev đã phát minh bảng tuần hoàn vào năm 1869, sử dụng tính chất hóa học của các nguyên tố làm một nguyên lí tổ chức. Sức mạnh chính của nó là nó có thể bao gộp và giải thích các kết quả về sau, ví dụ như cấu trúc bên trong của các nguyên tử, khám phá hạt nhân nguyên tử và lí thuyết hóa trị của các liên kết hóa học. Nó còn dự báo vị trí của một vài nguyên tố chưa được khám phá. Các tường thành chống đạn của bảng tuần hoàn bao gồm một số khám phá quan trọng nhất của khoa học, bao gồm thuyết nguyên tử, điện học, phổ ánh sáng và các bức xạ điện từ khác, sự phóng xạ và vật lí lượng tử.

Các nguyên tố từng được định nghĩa là những chất đơn giản nhất hết thảy – căn nguyên của từ element (nguyên tố) có từ tiếng Latin elementum, nghĩa là “nguyên lí đầu tiên” hay “dạng thức cơ bản nhất”. Ngày nay, chúng ta biết rằng thật ra mỗi nguyên tử gồm những hạt sơ cấp còn nhỏ và cơ bản hơn nữa, vì thế định nghĩa hiện đại của một nguyên tố có thể là một chất được làm bằng các nguyên tử có số hạt proton hạ nguyên tử bằng nhau trong hạt nhân của chúng. Nghiên cứu bản chất của vật chất và cấu trúc nguyên tử là động lực chi phối lịch sử khoa học, không những dẫn tới những tiến bộ to lớn và đôi khi bất ngờ trong nhận thức của chúng ta về các nguyên tố và các nguyên tử, mà còn đem đến một ngưỡng rộng ứng dụng công nghệ đã định hình xã hội hiện đại của chúng ta.

Giống như định luật hấp dẫn hay thuyết tiến hóa, định luật tuần hoàn, mô tả cách xếp trật tự các nguyên tố hóa học, đúng cho vạn vật, và thật vậy, tính chất của các nguyên tố sinh học chủ chốt đã chiếm một phần của bức thông điệp Arecibo nổi tiếng năm 1974, thông điệp có cân nhắc thận trọng đầu tiên của loài người gửi đến các sao. Giả sử chúng ta gặp gỡ một nền văn hóa ngoài địa cầu, thì đây là loại mặt bằng chung mà chúng ta có thể thảo luận: mặc dù tên gọi của chúng ta cho các nguyên tố sẽ khác, nhưng chúng ta sẽ đều nhất trí về 118 loại nguyên tử từ đó toàn bộ vật chất được tạo nên.

Nguyên tố và nguyên tử

Nguyên tố và nguyên tử

Nhà vật lí giành Giải Nobel Richard Feynman từng được hỏi rằng nếu chúng ta chỉ lưu giữ được duy nhất một chân lí khoa học trong một sự kiện tận thế thì chân lí đó là gì. Lời đáp của ông thật dứt khoát: rằng mọi thứ được làm bằng các nguyên tử – những hạt bé nhỏ chuyển động lung tung và vĩnh viễn, hút lẫn nhau khi chúng cách xa nhau một chút, nhưng lại đẩy nhau ra khi bị ép lại gần nhau. Giả thuyết nguyên tử là một quan niệm cổ xưa, có từ thời người Hi Lạp cổ đại. Tuy nhiên, bằng chứng cho những gói nhỏ của vật chất chỉ đến từ những thí nghiệm muộn hơn nhiều sau này trong các lĩnh vực như chuyển động Brown và kính hiển vi lực nguyên tử.

Các nguyên tố là các chất không thể bị phân giải thành những thành phần đơn giản hơn nữa, hoặc bằng phương tiện vật lí hoặc bằng phương tiện hóa học. Mỗi nguyên tố chỉ gồm một biến thể nguyên tử, được xác định bởi số lượng proton trong hạt nhân của nó. Ngày nay, có 118 loại nguyên tử như thế (và nhiều “đồng vị”), 92 trong số chúng có mặt tự nhiên trên Trái Đất.

Một nguyên tố thuần chất chứa các nguyên tử thuộc cùng một loại – ví dụ đồng trong dây điện, carbon trong than đá và khí helium trong các quả bong bóng trang trí tiệc tùng. Tuy nhiên, trên thực tế, có rất ít vật liệu hằng ngày là thuần chất như vậy.

Nguyên tố và nguyên tử