Bộ ba Döbereiner: những nguyên tố đi theo từng ba

Johann Döbereiner là ai?

Johann Wolfgang Döbereiner (1780–1849) là một nhà hóa học người Đức, được đào tạo làm dược sĩ trước khi trở thành giáo sư hóa học tại Đại học Jena. Ông cũng được nhớ đến nhờ chiếc đèn Döbereiner năm 1823, một loại bật lửa ban đầu trong đó dòng khí hydro bốc cháy khi tiếp xúc với platin, một trong những ứng dụng thực tế đầu tiên của chất xúc tác.

Một manh mối từ stronti

Năm 1817, Döbereiner nhận thấy một điều lạ về stronti. Khối lượng nguyên tử của nó nằm gần như chính giữa khối lượng của canxi và bari, và hóa học của nó cũng ở giữa: ba kim loại này tạo các hợp chất giống nhau, và tính chất của stronti nằm giữa hai nguyên tố họ hàng của nó. Tuy nhiên, chỉ với một ví dụ, nó rất dễ chỉ là sự trùng hợp.

Các bộ ba năm 1829

Năm 1829, Döbereiner công bố một phiên bản rộng hơn của ý tưởng này. Ông mô tả nhiều nhóm ba, hay bộ ba, trong đó các nguyên tố giống nhau về hóa học và khối lượng nguyên tử ở giữa gần với trung bình của hai nguyên tố ngoài. Với khối lượng nguyên tử hiện đại, quy luật này dễ kiểm tra. Canxi (40,1), stronti (87,6) và bari (137,3): trung bình của canxi và bari là 88,7, gần với stronti. Clo (35,5), brom (79,9) và iot (126,9): trung bình của hai nguyên tố ngoài là 81,2. Liti (6,9), natri (23,0) và kali (39,1): trung bình là 23,0, gần như đúng bằng khối lượng của natri. Lưu huỳnh, selen và telu tạo thành bộ ba thứ tư.

Các tính chất vật lí cũng theo cùng thứ tự. Clo là chất khí, iot là chất rắn, và brom, mới được phát hiện ba năm trước đó, là chất lỏng ở giữa; màu của ba halogen đậm dần và độ hoạt động của chúng giảm theo cùng trình tự.

Các bộ ba đã cho thấy điều gì

Các bộ ba là một trong những bằng chứng đầu tiên cho thấy khối lượng nguyên tử có liên hệ với cách một nguyên tố hành xử. Chúng cũng cho thấy các nguyên tố thuộc về những họ tự nhiên. Mỗi bộ ba của Döbereiner vẫn nằm cùng nhau trong một cột của bảng hiện đại: kim loại kiềm ở nhóm 1, kim loại kiềm thổ ở nhóm 2, các chalcogen ở nhóm 16 và các halogen ở nhóm 17.

Ngày nay chúng ta có thể thấy vì sao các giá trị trung bình hoạt động. Ba thành viên của mỗi bộ ba cách đều nhau về số hiệu nguyên tử: liti, natri và kali cách nhau 8 ô, và các thành viên của những bộ ba khác cách nhau 18 ô, nên khối lượng nguyên tử của chúng tăng theo các bước xấp xỉ bằng nhau.

Giới hạn của các bộ ba

Các bộ ba không thể sắp xếp được hầu hết các nguyên tố. Trong hơn 50 nguyên tố đã biết vào năm 1829, chỉ khoảng một tá phù hợp gọn gàng vào các nhóm ba, và Döbereiner không đưa ra cách nào để nối một bộ ba với bộ ba khác hoặc để xếp những nguyên tố còn lại. Xét với số liệu hiện đại, quy tắc này cũng thất bại ngay trong một họ: flo, clo và brom đều là halogen, nhưng khối lượng nguyên tử của clo (35,5) không hề gần với trung bình của flo và brom (49,5).

Các nhà hóa học sau này, trong đó có Leopold Gmelin và Jean-Baptiste Dumas, tìm thêm các họ và quy luật số, nhưng một hệ thống hoàn chỉnh phải chờ đến khi có khối lượng nguyên tử đáng tin cậy vào thập niên 1860.