Lịch sử bảng tuần hoàn: từ thuật giả kim đến nguyên tố 118

Các nguyên tố cổ đại và thuật giả kim

Mười nguyên tố ngày nay đã được biết đến từ rất lâu trước khi có ai dùng từ nguyên tố theo nghĩa hiện đại: vàng, bạc, đồng, sắt, thiếc, chì, thủy ngân, lưu huỳnh, cacbon và antimon. Không ai biết ai đã tìm ra chúng đầu tiên. Thay vào đó, các nhà tư tưởng Hy Lạp cổ đại, theo Empedocles và Aristotle, tin rằng mọi vật đều là hỗn hợp của bốn nguyên tố (đất, nước, không khí và lửa), một quan niệm kéo dài gần hai nghìn năm.

Các nhà giả kim ở thế giới Hồi giáo và châu Âu thời Trung cổ đã cố biến các kim loại rẻ tiền thành vàng. Họ thất bại, nhưng đã hoàn thiện các phương pháp trong phòng thí nghiệm như chưng cất. Năm 1661, Robert Boyle thách thức thuyết bốn nguyên tố trong cuốn The Sceptical Chymist, kêu gọi các nhà hóa học tin vào thí nghiệm, và năm 1669, nhà giả kim Hennig Brand phát hiện ra photpho khi đang tìm kiếm hòn đá triết gia, một trong những nguyên tố đầu tiên có người phát hiện được ghi chép lại.

Danh sách các chất đơn giản của Lavoisier (1789)

Hóa học hiện đại thành hình cùng với nhà hóa học người Pháp Antoine Lavoisier, người đã chứng minh bằng việc cân đo cẩn thận rằng khối lượng không bị mất đi trong các phản ứng hóa học, và đặt tên cho oxi và hiđro. Trong cuốn Giáo trình sơ lược về hóa học năm 1789, ông định nghĩa nguyên tố theo cách thực tiễn: một chất mà không phương pháp hóa học nào đã biết có thể phân tách thành bất cứ thứ gì đơn giản hơn.

Cuốn sách liệt kê 33 “chất đơn giản” này, được xếp thành các khí, phi kim, kim loại và các loại đất. Phần lớn là những nguyên tố thực sự, nhưng ánh sáng và nhiệt cũng nằm trong danh sách, còn các loại đất như vôi và silica sau này được chứng minh là hợp chất. Dù vậy, Lavoisier đã cho các nhà hóa học một định nghĩa rõ ràng, có thể kiểm chứng về nguyên tố và một danh sách đầu tiên để xây dựng tiếp.

Dalton và việc cân các nguyên tử

Khoảng năm 1803, thầy giáo người Anh John Dalton đề xuất rằng mỗi nguyên tố được tạo thành từ loại nguyên tử riêng của nó với khối lượng riêng. Nguyên tử quá nhỏ để cân, nên ông tính ra khối lượng tương đối từ tỉ lệ các nguyên tố kết hợp với nhau, lấy hiđro bằng 1, và công bố một trong những bảng nguyên tử khối đầu tiên.

Nhiều con số của Dalton bị sai vì ông phải đoán công thức; chẳng hạn, ông cho rằng nước là HO chứ không phải H₂O. Nhà hóa học người Thụy Điển Jöns Jacob Berzelius đã đo nguyên tử khối chính xác hơn nhiều và đưa ra các ký hiệu bằng chữ cái vẫn được dùng ngày nay, nhưng những bất đồng vẫn kéo dài đến Hội nghị Karlsruhe năm 1860, tại đó Stanislao Cannizzaro chỉ ra cách thu được một bộ nguyên tử khối nhất quán. Mendeleev và Lothar Meyer đều có mặt trong số khán giả.

Các bộ ba của Döbereiner (1829)

Một trong những gợi ý rõ ràng đầu tiên rằng nguyên tử khối và tính chất hóa học có liên quan đến nhau đến từ nhà hóa học người Đức Johann Wolfgang Döbereiner. Năm 1829, ông mô tả các bộ ba, tức là các nhóm gồm ba nguyên tố giống nhau trong đó nguyên tử khối của nguyên tố ở giữa gần bằng trung bình của hai nguyên tố còn lại: canxi, stronti và bari; clo, brom và iot; và liti, natri và kali.

Các bộ ba cho thấy những họ nguyên tố tự nhiên, nhưng chỉ một số ít nguyên tố phù hợp, và không có cách nào nối bộ ba này với bộ ba tiếp theo.

Một đường xoắn ốc và một quãng tám (1862–1865)

Năm 1862, nhà địa chất người Pháp Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois viết các nguyên tố theo thứ tự nguyên tử khối dọc theo một đường xoắn ốc quấn quanh một hình trụ, sao cho các nguyên tố giống nhau thẳng hàng với nhau theo chiều dọc. “Vít telua” của ông, đặt theo tên nguyên tố telu, là một trong những cách sắp xếp đầu tiên cho thấy các tính chất lặp lại, nhưng nó được công bố mà không có hình vẽ kèm theo và hầu như không được chú ý.

Năm 1865, nhà hóa học người Anh John Newlands nhận thấy rằng, khi sắp xếp theo nguyên tử khối, cứ cách tám nguyên tố thì nguyên tố thứ tám dường như lặp lại tính chất của nguyên tố đầu tiên, giống như các nốt trong một thang âm nhạc. Định luật bát phân của ông đúng với các nguyên tố nhẹ nhưng không còn đúng sau canxi, và năm 1866, Hội Hóa học ở Luân Đôn đã từ chối công bố nó.

Mendeleev và Lothar Meyer (1869–1870)

Dmitri Mendeleev, giáo sư hóa học ở Saint Petersburg, đang viết một cuốn giáo trình thì bắt đầu tìm kiếm quy luật đằng sau các nguyên tố. Đầu năm 1869, ông sắp xếp các nguyên tố đã biết lúc đó theo nguyên tử khối vào một lưới ô sao cho các nguyên tố giống nhau thẳng hàng, và vào tháng Ba, bài báo của ông được trình bày trước Hội Hóa học Nga. Ông phát biểu một định luật tuần hoàn: khi sắp xếp theo nguyên tử khối, các nguyên tố cho thấy những tính chất lặp lại theo các khoảng đều đặn.

Điều làm bảng của ông khác biệt là sự táo bạo. Mendeleev đặt hóa học lên trên thứ tự khối lượng nghiêm ngặt, để trống các ô cho những nguyên tố mà ông tin là vẫn chưa được phát hiện, và lập luận rằng một số nguyên tử khối đã được chấp nhận là sai.

Ở Đức, Lothar Meyer độc lập đưa ra một bảng rất giống và công bố vào năm 1870, kèm theo một đồ thị cho thấy thể tích nguyên tử tăng giảm theo dạng sóng khi nguyên tử khối tăng lên. Năm 1882, Hội Hoàng gia ở Luân Đôn trao Huy chương Davy cho cả hai người.

Các dự đoán được xác nhận (1875–1886)

Mendeleev mô tả chi tiết ba nguyên tố còn thiếu, gọi chúng là eka-nhôm, eka-bo và eka-silic, từ chữ eka trong tiếng Phạn nghĩa là “một”, chỉ một vị trí sau một nguyên tố đã biết. Chúng xuất hiện dưới tên gali, do Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran tìm ra năm 1875, scandi, do Lars Fredrik Nilson tìm ra năm 1879, và gecmani, do Clemens Winkler tìm ra năm 1886.

Sự trùng khớp thật đáng kinh ngạc. Với eka-silic, Mendeleev đã dự đoán nguyên tử khối khoảng 72 và khối lượng riêng khoảng 5,5 gam trên centimet khối; của gecmani là 72,6 và 5,3. Những người hoài nghi đã bị thuyết phục, và bảng tuần hoàn trở thành tấm bản đồ trung tâm của hóa học.

Các khí hiếm tìm được chỗ đứng (thập niên 1890)

Năm 1894, Lord Rayleigh và William Ramsay phát hiện ra agon, một chất khí trơ ẩn trong không khí thông thường. Đến năm 1898, Ramsay cũng đã tách được heli trên Trái Đất và cùng với Morris Travers phát hiện ra neon, krypton và xenon; radon theo sau vào năm 1899 và 1900. Không loại khí nào trong số này phù hợp với bất kỳ cột nào hiện có.

Lời giải là một nhóm hoàn toàn mới nằm giữa các halogen và kim loại kiềm, ban đầu gọi là nhóm 0 và nay là nhóm 18. Nó khớp gọn gàng với quy luật tuần hoàn, và năm 1904 Ramsay nhận giải Nobel Hóa học còn Rayleigh nhận giải Nobel Vật lý.

Moseley và số hiệu nguyên tử (1913)

Một vài cặp nguyên tố, chẳng hạn agon và kali hay coban và niken, vẫn nằm sai thứ tự theo nguyên tử khối. Năm 1913, nhà vật lý trẻ người Anh Henry Moseley, làm việc trong phòng thí nghiệm của Ernest Rutherford ở Manchester, đã đo tia X do các nguyên tố khác nhau phát ra và thấy rằng tần số của chúng tăng theo những bước đều đặn từ nguyên tố này sang nguyên tố kế tiếp.

Mỗi bước tương ứng với thêm một đơn vị điện tích dương trong hạt nhân nguyên tử. Số hiệu nguyên tử này trở thành cơ sở thực sự của bảng và chỉ ra chính xác những nguyên tố nào còn thiếu. Moseley hy sinh trong trận chiến ở Gallipoli năm 1915, khi mới 27 tuổi.

Seaborg, các actinit và các nguyên tố siêu nặng (1940–2016)

Các nhà khoa học cũng học cách tạo ra những nguyên tố cực kỳ hiếm hoặc không có trong tự nhiên. Tecnexi, được tạo ra năm 1937, là nguyên tố nhân tạo đầu tiên, và năm 1940 neptuni và plutoni trở thành những nguyên tố đầu tiên sau urani. Năm 1944, Glenn Seaborg đề xuất rằng các nguyên tố từ actini trở đi tạo thành một dãy riêng, các actinit, giống như các lantanit. Được công bố năm 1945, ý tưởng này đưa chúng xuống một hàng riêng bên dưới bảng chính và tạo cho bảng hình dạng hiện đại.

Kể từ đó, các phòng thí nghiệm ở Hoa Kỳ, Liên Xô và sau này là Nga, Đức và Nhật Bản đã tạo ra những nguyên tố ngày càng nặng hơn, thường chỉ vài nguyên tử mỗi lần, bằng cách hợp nhất các hạt nhân nguyên tử. Một nhóm làm việc chung của IUPAC và IUPAP, các liên hiệp quốc tế về hóa học và vật lý, hiện xem xét từng tuyên bố phát hiện. Năm 2016, bốn nguyên tố cuối cùng được xác nhận đã được đặt tên là nihoni, moscovi, tennessin và oganesson, hoàn tất chu kỳ thứ bảy. Cuộc tìm kiếm các nguyên tố 119 và 120, những nguyên tố sẽ mở ra chu kỳ thứ tám, vẫn đang tiếp diễn.