Câu 1
Hóa Học Thời Kỳ
Trung Cổ
I.
Đặt
vấn đề:
Trong quá trình hình thành và phát triển của con người ở thời kì trung cổ,
khi đã đạt đến 1 trình độ nhất định thì mơ ước về một cuộc sống vĩnh cửu và giàu sang
đã khiến các nhà giả kim thuật lao đầu vào những thuật giả kim hão huyền. Tôn
giáo và nhà thờ giữ vai trò đặc biệt quan trọng nên các nhà khoa học có tư tưởng
duy vật đều bị đàn áp, do đó khoa học bị đình đốn và tạo điều kiện tuận lợi cho
giả kim thuật phát triển .Dù vậy, trong cuộc tìm kiếm vô vọng này, họ ít nhiều
cũng có được những đóng góp nhất định cho nhân loại.
II.
Nội
dung:
1.
Nguồn gốc hình thành giả kim thuật
Trong suốt nhiều thế kỷ của
thời kì cổ đại và trung đại, hóa học chưa phải là một ngành khoa học, nó chỉ dừng
lại ở mức độ thuật và được biết đến với cái tên giả kim thuật (alchemy). Đây là
thời mà những hiểu biết của con người về nền hóa học xung quanh rất mông muội, ấu
trĩ.
Thuật giả kim
bắt đầu từ thế kỷ 4 đến đầu thế kỷ 16, thịnh hành ở hầu hết khắp các nước
phương Tây và phương Đông. Mục đích kiếm tìm của các nhà giả kim thuật hai
phương này cũng khác nhau. Trong khi các nhà giả kim phương Tây tìm
kiếm sự giàu sang thông qua các thuật biến bất cứ kim loại bình thường nào
thành vàng, thì những đồng nghiệp của họ ở các triều đại phong kiến cổ đại
phương Đông lại lao đầu vào điều chế những phương thuốc trường sinh bất tử.
2.
Giả kim thuật Hy Lạp và Ai Cập
·
Mục đích: tìm
ra hòn đá thần bí biến kim loại thành vàng.
·
Nguyên nhân: lòng tham muốn có nhiều vàng, cần vàng để làm vật dụng trao đổi tương
đương.
·
Thời gian: thế
kỉ thứ IV đến giữa thế kỉ thứ VII.
·
Nội dung và đặc điểm:
Ý tưởng
biến một nguyên tố thành một nguyên tố khác dựa trên luận điểm của triết học Aristot.
Nhu cầu lớn về vàng đã tạo ra sự quan tâm lớn với các nhà thực nghiệm tự nhiên
trung cổ. Vì chủ nghĩa thần bí trở thành
hệ tư tưởng của các nhà giả kim, nên họ nghiên cứu việc luyện kim qua lăng kình
chiêm tinh và ma thuật. Bởi vậy trong những thế kỉ đầu tiên công nguyên, các
kim loại điều chế đều được gọi tên theo các thiên thể. Trong các bản thảo giả kim thuật còn lưu lại
tới nay đó có mô tả phương pháp điều chế kim loại quý bằng cách biến đổi kim loại
thường.
Do 4 kim
loại Aristot không đủ để lý giải việc luyện kim về mặt hóa học, các nhà giả kim
Hy Lạp và Ai Cập bắt đầu xem xét thủy ngân (biểu tượng của tính kim loại) và
lưu huỳnh (biểu tượng của tính cháy) như các thành phần chính (nguyên tố) của
các kim loại. Nhờ “mạ vàng” và “mạ bạc” mà từ các kim loại thường có thể tiến tới
điều chế các chất sơn nhuộm có màu vàng hoặc trắng giống như kim loại đắt tiền.
Các nhà
giả kim cho rằng toàn bộ giới tự nhiên đều có sức sống. Bởi vậy họ tin rằng,
kim loại lớn lên và chín trong lòng đất. Vàng được coi là kim loại chín hoàn
toàn, còn các kim loại thường thì chưa chín. Họ không muốn chờ cho tới khi các
kim loại chín dưới tác dụng của tự nhiên, họ cố gắng làm tăng tốc quá trình này
nhờ nghệ thuật hóa học. Khi đó lòng tham và khao khát sự giàu có trở thành thói
xấu ngăn cản các nhà giả kim nhận thức được giới tự nhiên. Các nhà giả kim cũng
thường sử dụng những tên gọi nổi tiếng trong lĩnh vực hoạt động của mình như, nữ
thần Isys của người Hy Lạp cổ, thậm chí người sáng lập nghệ thuật giả kim huyền
thoại Hermes.
·
Kết quả:
Việc
theo đuổi “hòn đá triết học” một cách vô ích để điều chế kim loại quý lại giúp
họ hiểu sâu và rộng hơn về các quá trình hóa học sử dụng trong thủ công. Các
nhà giả kim đã dùng hỗn hống để làm sạch vàng , sản xuất gốm và thủy tinh, phát
hiện ra một số hợp chất hóa học mới, ví dụ: amoni clorua. Họ cũng phát minh ra
hàng loạt các dụng cụ hóa học, trong đó có thiết bị để chưng cất.
3.
Giả kim thuật Ả Rập
·
Mục đích: tìm
ra hòn đá thần bí biến kim loại thành vàng.
·
Nguyên nhân: lòng tham muốn có nhiều vàng, cần vàng để làm vật dụng trao đổi tương
đương.
·
Thời gian: Giữa
thế kỉ thứ VII đến đầu thế kỉ thứ XIII. Sau khi chinh phục Ai Cập vào thế kỉ
VII, Syria và hàng loạt các
quốc gia ở vùng Cận Đông thì người Ả Rập đã tiếp thu giả kim thuật và truyền bá
sang Tây Ban Nha , trung tâm
khoa học đã chuyển về Ả Rập.
·
Nội dung và đặc điểm :
Người Ả
Rập đã không chỉ tiếp nhận các nền văn hóa Đông Hy Lạp, có nguồn gốc từ trường
Alexandria cổ đại, mà còn tự nâng tầm hiểu biết theo sự thúc đẩy của các nhu cầu
thực tế. Sự nở rộ kiến thức hóa học được đánh dấu ở cuối thế kỷ VIII, khi các
thầy thuốc Ả Rập bắt đầu sử dụng các dược phẩm được bào chế đặc biệt. Trong thời
gian này ở Baghdad đã mở hiệu thuốc đầu tiên trên thế giới. Vào đầu thế ký thứ IX, họ đã có giả kim thuật riêng và khác với
giả kim thuật của người Hy Lạp
Nhà khoa
học nổi tiếng nhất thời điểm đó là nhà y học và giả kim thuật Ả Rập Jabir Ibn
Haiyang (Gayan), được biết đến dưới tên Latinh Geber (721- 815). Ông được xem
là tác giả của hàng trăm công trình khoa học, trong đó mô tả các quá trình hóa
học khác nhau và các thí nghiệm chuyển hóa các chất. Trong các bài luận của Geber
có thể tìm thấy những kiến giải lý thuyết về kim loại được vay mượn từ các nhà giả kim thuật Hy Lạp- Ai Cập. Khi
quan sát sự chuyển hóa của các kim loại, ông nghĩ rằng: một kim loại càng tinh
khiết thì càng chứa nhiều thủy ngân, và càng kém tinh khiết thì càng chứa nhiều
lưu huỳnh. Ông tin rằng các kim loại được hình thành trong lòng đất từ thủy
ngân và lưu huỳnh dưới tác động của các hành tinh. Ngược lại với Geber,
Avicenna, nhà thực nghiệm tự nhiên, bác sĩ và nhà triết học Trung Á đã bác bỏ
khả năng chuyển hóa lẫn nhau giữa các kim loại. Trong khi đó ông tin rằng các
kim loại quý có thể phát triển trong lòng của trái đất dưới ảnh hưởng của mặt
trăng và mặt trời. Mặc dù Avicenna không đề xuất lý thuyết hóa học mới nào,
nhưng ông là một trong những người đầu tiên nghi vấn về mục tiêu của các nhà giả
kim thuật.
·
Kết quả:
Các nhà giả kim thuật Ả Rập đã giữ gìn thành công những
kiến thức mà họ được truyền lại từ Ai Cập và Hy Lạp, để rồi sau đó lại được
thâm nhập vào Châu Âu. Đồng thời họ đã mở ra những cách thức mới trong việc
nghiên cứu tự nhiên. Thành tựu quan trọng là việc sáng lập ra khoa học về bào
chế và sử dụng thuốc. Các nhà giả kim thuật đưa ra một số hợp chất của thủy
ngân, kẽm, đồng, kiềm và phèn, cùng với các chất chiết xuất từ thực vật, vào thực
hành y học. Khi sử dụng phương pháp chưng cất, họ điều chế được các loại tinh dầu
và nước cất. Nhà giả kim thuật Ả Rập, sử dụng
một loại thuốc gọi là “vàng có thể uống được”, có các đặc tính chữa bệnh
xuất sắc (thuốc chữa bách bệnh hay tiên đan trường thọ).
4.
Giả kim thuật Châu Á
·
Mục đích: tìm
ra thuốc trường sinh.
·
Nguyên nhân: tham vọng sống lâu, suốt đời, không có cảnh li biệt.
·
Thời gian: từ các thế kỷ đầu công nguyên.
·
Nội dung và đặc điểm:
Giả kim thuật của người Trung
Quốc khác hẳn với giả kim thuật của người Hy Lạp. Trong khi người Hy Lạp
cố biến kim loại thường thành vàng thì người Trung Quốc cố tìm kiếm thuốc trường
sinh bất lão. Vì thế giả kim thuật Trung Quốc có tên gọi là luyện đan, dựa trên cơ sở học thuyết
thần tiên. Các đạo gia chia luyện đan thành ngoại đan và nội đan. Ngoại đan là dùng lửa luyện
các khoáng chất như chì, thủy ngân trong các lò đặc biệt biến chúng thành đan
dược nuốt vào có thể thành tiên hay trường sinh bất lão.
Thứ được các nhà giả kim thuật Trung Quốc ưa sử dụng
nhất là đan
sa, công thức hóa học là HgS, luyện trong các lò
thành vàng, uống vàng đó sẽ trường sinh bất lão. Họ cho rằng đan sa có màu đỏ là màu cao
quý, có khả năng chữa bách bệnh, ngoài ra khi đun nóng còn phân tích thành thủy
ngân là thứ kim loại kì lạ và có những đặc điểm lý thú. Chính vì thế mà đan sa
được xem là tiên dược để luyện thuốc trường sinh.
Do đan sa có độc tính cao nên nhiều trường hợp người
xưa đã chết khi sử dụng nó. Vì thế, ngoại đan dần dần suy vi, chỉ còn luyện đan
là khởi thủy của ngành luyện
kim ngày nay.
Kết quả: vì bị trúng độc do uống kim đan nên ngoại đan dần
suy vi, chỉ còn luyện đan là khởi thủy của ngành luyện kim ngày nay .
5.
Giả kim thuật Châu Âu
·
Mục đích: tìm
ra hòn đá thần bí biến kim loại thành vàng.
·
Nguyên nhân: lòng tham muốn có nhiều vàng, cần vàng để làm vật dụng trao đổi tương
đương.
·
Thời gian: Từ
thế kỉ thứ XII giả kim thuật Ả Rập đã bắt đầu mất đi định hướng thực tế, dẫn đến
việc mất đi vị trí dẫn đầu. Từ đầu thế kỉ thứ XIII đến đầu thế kỉ thứ XVI. Tới
thời gian này, thuật giả kim đã thâm nhập vào Châu Âu thông qua Tây Ban Nha và
Sicily.
·
Nội dung và đặc điểm:
Sự cạnh
tranh của rất nhiều nhà cầm quyền Châu Âu đã
giúp cho việc tìm hiểu “hòn đá triết học” trở nên ráo riết hơn. Nhiều
nhà giả kim thuật châu Âu đã để lại ấn tượng sâu sắc trong lịch sử hóa học, chẳng hạn như Roger Bacon
(1214-1294) và Raymond Lully (1235-1315).
Triết gia, tu sĩ dòng Phanxico người Anh Bacon đã tiến
hành không ít thí nghiệm để tìm cách chuyển hóa chất này thành chất khác. Bacon
đã nghiên cứu tính chất của Amoni Nitrat và các chất khác, ông đã tìm ra phương
pháp sản xuất thuốc súng đen. Nhà thơ và nhà thần học Tây Ban Nha, Lully được
xem và một trong những nhà giả kim thuật châu Âu nổi tiếng nhất. Trong công trình
nghiên cứu về việc “ chuyển hóa linh hồn của kim loại”, ông đã mô tả những công
thức chế tạo “hòn đá triết học”.
Sau những cố gắng tìm kiếm “hòn đá triết học” không thành công, các nhà giả kim thuật
phương Tây đã xem xét lại lý thuyết các kim loại, đã thêm vào thủy ngân và lưu
huỳnh một thành phần thứ ba – muối, như là biểu tượng của độ cứng. Với việc
phát hiện và phổ biến các chất mới, trong đó có rất nhiều axit, một cách tiếp cận
mới để điều chế các kim loại quý đã bắt đầu có thể thực hiện được. Có vẻ như là
vàng và bạc kahi thác dễ dàng từ quặng hơn so với việc lãng phí sức mà không
mang lại kết quả của việc chuyển hóa giả kim thuật ( chuyển hóa giả kim thuật
là sự chuyển hóa của một kim loại thành những kim loại khác, thường có nghĩa là
biến kim loại cơ bản thành kim loại quý). Ý tưởng tác động lên quặng bằng các
chất phản ứng khác nhau, với mục đích tách riêng kim loại ra dường như rất thuận
lợi. Tuy nhiên, mặc dù các nhà giả kim thuật đã theo đuổi mục tiêu xa thực tế,
thì nhờ vào công việc của họ đã thu được thông tin về các quá trình hóa học và
công nghệ, mà sau này đã được phát triển và hoàn thiện.
·
Kết quả:
Trong thời kỳ giả kim thuật những nỗ lực nghiên cứu bản
chất của các sản phẩm lên men cũng được thực hiện. Trog đó có việc nghiên cứu
phương pháp tách rượu nguyên chất và axit axetic, cũng như nghiên cứu một số
tính chất của các chất này. Những thành quả của các nhà giả kim thuật trong lĩnh
vực thí nghiệm hóa học là rất lớn, các thiết bị mà họ tạo ra, các chất và các
phản ứng được khám phá đã được ứng dụng thành công trong sản xuất thủ công. Sự
phát tiển của giả kim thuật là nhu cầu cần thiết, thậm chí đối với cả khoa học
hiện đại.
III.
Nhận
xét:
* Trong cuộc tìm kiếm vô vọng về thuốc trường
sinh hay việc điều chế ra vàng đã thất bại nhưng các nhà giả kim đã ít nhiều
cũng có được những đóng góp nhất định cho nhân loại:
-
Việc các nhà giả kim dùng thủy
ngân trong các thuật giả kim của mình đã gợi ý cho các nhà khoa học nghĩ đến việc
dùng thủy ngân để tách vàng nguyên chất trong đá sa khoáng chứa vàng.
-
Nhiều kĩ thuật thí nghiệm hóa
học quan trọng cũng được họ hoàn thiện như: Nung, chưng cất, hòa tan, lọc, bay
hơi, kết tinh, thăng hoa,...
-
Phát hiện ra các loại axit, bazơ, khoáng chất đã đóng góp vô cùng to lớn
cho sự phát triển của hóa học.
-
Những nhà giả kim Trung Hoa với
thuật luyện đan của mình cũng đã đặt những nền tảng ban đầu cho ngành luyện
kim.
Câu 2
Cái gì cấu tạo
nên con người, mọi vật xung quanh con người đã là câu hỏi của biết bao thế hệ
con người từ phương Đông đến phương Tây. Con người luôn cố gắng đi tìm lời giải
đáp cho câu hỏi: vật chất cấu tạo như thế nào, mọi vật thiên hình vạn dạng liệu
nó sẽ có một đầu mối chung với nhau hay không, hay chỉ là những cấu tạo riêng lẽ
do một đấng siêu nhiên nào đó tạo ra. Và để giải đáp những thắc mắc đó chúng ta
sẽ đi tìm hiểu về thuyết nguyên tử và sự hình thành - phát triển của nó qua các
giai đoạn trong lịch sử loài người cũng như trong lịch sử hóa học.
Bản
chất của vật chất hay đó là bản chất của thế giới đã được các nhà hiền triết,
bác học lỗi lạc của các thời đại xa xưa đưa ra với những luận điểm cơ bản.
Trong đó, Từ 500 năm trước công
nguyên, Anaxagoras đã quan niệm vật chất được cấu tạo nên không phải do những
thành phần rất nhỏ xác định, khiến cho việc nhân đôi không ngưng.Thales (640 -
546 TCN) được mệnh danh là một trong bảy người hiền thời Hy Lạp Cổ Đại có quan
niệm bản chất của thế giới là nước. Ông lập luận nước đông lại thành chất rắn,
nước bốc hơi thành chất khí, suy cho cùng mọi thứ đều bắt nguồn từ nước.Empecdoc
(khoảng 490 - 430 TCN) nếu giả thuyết rằng vũ trụ được cấu tạo từ 4 nguyên tố vật
chất: lửa, không khí, nước và đất. Trong số các nhà triết học và khoa học
nguyên cứu về bản chất của vật chất thời kỳ đó, người có phát biểu đúng đắn hơn
cả đó là Democrite. Ông đã đưa ra những nhận định về nguyên tử như: các nguyên
tử nhiều vô hạn và vô số hình dạng,..hay các nguyên tử hoàn toàn giống nhau về
chất lượng, chúng tác động lên nhau bằng sức nén và va chạm,ngoài ra còn có vật
khác nhau vì được tạo thành bởi những nguyên tử có số lượng, độ lớn hình dạng
và cách sắp xếp khác nhau. Cùng với đó là nhận định của nhà triết học vĩ đại Aristore
đã hoàn toàn phủ nhận nguyên tử luận, vì theo ông thì chân không là một cái gì
đó không thể không có mà nguyên tử luận của Democrite cần phải có chân không. Aristore
chủ trương rằng thế giới vật chất do bốn nguyên tố tạo thành: đất; nước; không
khí; lửa. Các nguyên tố có thể biến đổi lẫn nhau. Bốn nguyên tố mang tính chất
nguyên là khô; ẩm; nóng; lạnh phân bố như sau:
- Đất thì khô và lạnh.
- Nước thì lạnh và ẩm.
- Không khí thì ẩm và nóng.
- Lửa thì nóng và khô.
Trong đêm trường
của các thời đại trong việc định hình nguyên tử theo cấu tạo của các vật chất ở
hai khía cạnh duy tâm và duy vật. Đến thế kỉ 17 các học thuyết mới đã xuất hiện
mang tính đúng đáng thực nghiệm hơn Thuyết phlogiston thế kỷ 17 được Johann
Joachim Becher đưa ra lần đầu tiên vào năm 1667. Học thuyết cho rằng tất cả những
vật chất có thể cháy được đều chứa Phlogiston, một dạng vật chất không có màu,
mùi, vị, hay khối lượng, và được giải phóng trong sự cháy. Antoine Lavoisier
(1743-1794 ) thấy rằng vật chất không được tạo ra hay bị hủy diệt mà đã phối hợp
với nhau để tạo nên các chất mới. Điều này đã đưa Lavoisier đến sự phân biệt giữa
hợp chất và đơn chất, tức là chất không thể làm cho đơn giản hơn. Trong giai đoạn
này có sự tranh luận gây gắt của các nhà khoa học về sự thống nhất của nguyên tử.
Các cuộc tranh luận đó chỉ chấm dứt khi xuất
hiện tác phẩm của một nhà khoa học người Anh là John Dalton. Dựa trên định luật
về bảo toàn khối lượng và định luật tỷ lệ các chất t rong các phản ứng hóa học
vào năm 1808, John Dalton (1766-1844) đã đưa ra lý thuyết nguyên tử của mình để
giải thích các định luật trên. Lý thuyết của ông dựa trên 5 giả thuyết. John
Dalton
Với nội dung chính là
(i) Mọi chất đều được cấu tạo từ một số rất lớn những hạt rất
nhỏ, không thể phân chia được gọi là nguyên tử.
(ii) Nguyên tử là những hòn bi nhỏ, giữa chúng có lực hút và lực
đẩy.
(iii) Nguyên tử có khối lượng xác định, khối lượng này thay đổi
từ nguyên tử của nguyên tố này sang nguyên tử của nguyên tố khác. Khối lượng của
các nguyên tử được so sánh với khối lượng nguyên tử Hiđro chọn làm khối lượng
đơn vị (đó là khối lượng tương đối mà sau này chúng ta gọi là nguyên tử lượng).
(iv) Các đơn chất bao gồm những nguyên tử giống hệt nhau, còn
hợp chất là sự kết hợp các nguyên tử thuộc những loại khác nhau.
Huân tước Kenvin (1824-1907), Lbriluanh,
Peranh (1870-1942) người Pháp…đã xác định được giá trị của số Avogađro bằng
6,022169.1023/mol. Avogađro Biết được
giá trị số Avogađro, chúng ta đã biết thế giới vi mô một cách định lượng. Nó là
cầu nối thế giới của chúng ta với thế giới vô cùng nhỏ. Nhờ sự phát triển của
khoa học từ sau thời kỳ phục hưng cho đến cuối thế kỷ 19, con người đã hiểu biết
về cấu tạo của vật chất như thế nào? Người ta biết rằng trong thiên nhiên có
hai loại vật chất: đơn chất như oxy, hidro, clo, sắt,đồng, urani… và các hợp chất
như muối, nước, rượu… nếu ta đem một hạt muối biển phân chia mãi cho đến khi
không thể phân chia được nữa mà vẫn giữ các tính chất của muối thì phân tử nhỏ
nhất ấy được gọi là một phân tử muối. Phân tử lại do các nguyên tử cấu tạo nên.
Ví dụ một phân tử muối cấu tạo bằng một nguyên tử clo và một nguyên tử natri. Một
phân tử nước gồm hai nguyên tử hidro và một nguyên tử oxy.
v Bằng chứng thực nghiệm chứng tỏ sự tồn tại của nguyên tử:
Cho tới
những năm đầu thế kỷ XX, khi lý thuyết nguyên tử do Dalton sáng lập đã được một
thế kỷ với rất nhiều bước tiến quan trọng, nhưng vẫn còn nhiều nhà bác học
không tin vào sự tồn tại của nguyên tử.
Vì vậy, nhiệm vụ to lớn được đặt ra cho các
nhà bác học ở thế kỷ XX là chứng minh bằng thực nghiệm sự tồn tại của các
nguyên tử. Đầu tiên với sự đóng góp của nhà bác học Einstein. Khi Einstein công
bố bài báo về thuyết tương đối hẹp và hiệu ứng quang điện của ông vào năm 1905
thì ông cũng đang viết về thống kê của chuyển động Brao, chỉ rõ va chạm của các
nguyên tử có thể liên quan đến những nhiễu loạn thấy được rất nhỏ của các hạt
lơ lửng như thế nào.
Tiếp theo là Perrin từ năm 1908-1909,
ông chứng minh sự tồn tại của các phân tử đồng thời xác định được số Avogađro với
độ chính xác cao bằng nhiều thí nghiệm khác nhau nhưng tất cả đều dựa trên một
hiện tượng là chuyển động Brao.
Lý thuyết nguyên tử của các nhà bác học ở thế
kỷ XIX mới chỉ cho phép ta biết vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử và phân
tử. Câu hỏi tiếp theo cho các nhà khoa học là nguyên tử được cấu tạo như thế
nào? Câu trả lời vấn đề này sẽ được tiếp tục giải quyết ở thế kỷ XX. Với cơ sở
khám phá ra electron và phóng xạ của năm 1902,
Thomson đã đề xuất ra mô hình cấu tạo nguyên tử. Nguyên tử gồm có những
electron nằm trong môi trường tích điện tích dương, phân bố đều đặn trong một
thể tích hình cầu. Các electron có thể đứng yên hay chuyển động. Ở trạng thái ổn
định chúng tạo thành nhiều lớp đồng tâm, mỗi lớp chứa một số electron nhất định.
Bánh
quả mận và chocolate là những món ăn hiện đại và là hình dạng của nguyên tử của
Thomson Mô hình của Thomson được thừa nhận hơn mô hình của Nagoaka nhưng nó
cũng chỉ đứng vững được vài năm cho đến khi nhà vật lý người New Zealand là
Ernest Rutherford (1871-1937) đưa ra mô hình nguyên tử của ông
Mẫu
nguyên tử của Rutherford Mẫu nguyên tử Rutherford được xác định dựa trên sự
tương tự giữa hệ thống nguyên tử và hệ thống Mặt Trời.
Mô
hình nguyên tử gồm: một hạt nhân mang điện tích dương, có kích thước rất nhỏ,
có khối lượng gần bằng khối lượng của cả nguyên tử, xung quanh hạt nhân có các
electron chuyển động, tổng điện tích âm của các electron bằng điện tích dương của
hạt nhân. So sánh kết quả thực nghiệm với lí thuyết, người ta phát hiện thấy một
điều đặc sắc số electron trong nguyên tử đúng bằng số thứ tự của nguyên tố
trong bảng tuần hoàn. Vậy mẫu nguyên tử Rutherford hoàn toàn khác so với mẫu
nguyên tử Thomson.
Năm
1913, nhà vật lý lý thuyết người Đan Mạch (1885- 1962) đưa ra mô hình bán cổ điển
về nguyên tử hay còn gọi là mô hình nguyên tử của Bohr. Nội dung của thuyết
nguyên tử Bohr được xây dựng trên hai định đề và một điều kiện về lượng tử hóa
mômen động lượng quỹ đạo. Những định đề này được đưa ra dựa trên cơ sở vận dụng
khái niệm lượng tử năng lượng của Planck và khái niệm photon ánh sáng của
Einstein kết hợp với những nội dung của lý thuyết Rutherford và tính quy luật của
quang phổ nguyên tử hiđro. Ở tiên đề Bohr ông đã đưa ra các tiên đề với nội
dung đề cặp về các mức năng lượng ở các quỹ đạo xác định, không có sự chuyển
hóa năng lượng khi electron nằm trên quỹ đạo dung và electron muốn chuyển giữa
các quỹ đạo phải hao tốn năng lượng hoàn toàn xác định hv = E1 - E2 . Để khắc
phục những khó khăn của mẫu nguyên tử Bohr trong việc giải thích quang phổ của
kim loại kiềm (sự xuất hiện những vạch đôi) năm 1915, Sommorfold (1868-1951)
người Đức phát triển thêm mẫu nguyên tử Bohr như sau: ngoài các quĩ đạo tròn,
ta phải xét đến các quĩ đạo elip. Ứng với một giá trị năng lượng En có thể có
nhiều quỹ đạo elip khác nhau và mômen quỹ đạo (mômen động lượng của các
electron trên các quĩ đạo đó cũng khác nhau).
Kết
quả là: Năng lượng của electron vẫn được tính như trên, nhưng qui luật lượng tử
hóa mômen quĩ đạo đã khác:
Thế kỉ 19 và
20 với hàng loạt phát hiện về cấu tạo của
nguyên tử đã kéo theo nền khoa học càng ngày càng phát triển với các nhận định
rõ ràng hơn về vật chất, về sự tồn tại của các hạt cơ bản trong sự sống qua
nguyên cứu của hàng loạt các nhà bác học, khoa học lỗi lạc Einstein - về
học thuyết ánh áng, thuyết tương đối. Schrodinger - phương trình hàm sóng-
Heisenberg
-“Nguyên lý bất định”.-,… Điều này chứng tỏ các hạt vi mô khác với các vật vĩ
mô thông thường. Các hạt vi mô vừa có tính chất sóng lại vừa có tính chất hạt,
đó là một thực tế khách quan đặc trưng của hạt vi mô. Mỗi hạt vi mô vừa
mang tính sóng, vừa mang tính hạt. Hai tính chất này mâu thuẫn nhau, nhưng dựa
vào nhau mà tồn tại song song trong cùng một hạt. Việc không đo được chính xác
đồng thời cả tọa độ và xung lượng của hạt là do bản chất của sự việc chứ không
phải do trí tuệ của con người bị hạn chế. Ngoài việc quay trên quỹ đạo quanh hạt
nhân, electron còn tự quay quanh trục của nó. Nơ học lượng tử đã cho ta một
hình ảnh chính xác về cấu trúc của một nguyên tử. Nguyên tử là một hệ thống gồm
có hạt nhân là trung tâm và các electron phân bố quanh hạt nhân theo các quy luật
xác suất thống kê lượng tử, chứ chúng không chuyển động theo quỹ đạo nào cả. Về
mặt hình thức có thể hình dung electron bao quanh hạt nhân như một “đám mây xác
suất” – nơi nào sự có mặt của electron thường xuyên hơn thì nơi đó xác suất tìm
thấy electron lớn hơn các nơi khác. Nơi nào không có electron thì xác suất tìm
thấy nó
Với
sự ra đời của vật lý hiện đại, quan niệm cơ học hoàn toàn sụp đổ cùng với bức tranh
vât lý cổ điển và 1 bức tranh vật lý mới ra đời: Bức tranh tương đối – lượng tử,
lấy theo tên gọi của 2 lý thuyết quan trọng nhất đầu thế kỉ XX là thuyết tương
đối và thuyết lượng tử.
Người
ta vạch ra được các yếu tố cơ bản cấu tạo nên vũ trụ, từ những hạt nhỏ nhất và
các lực liên kết chúng lại, tóm tắt trong “mô hình chuẩn” gồm có:
v 12 hạt cơ bản, với nghĩa là với trình độ khoa
học ngày nay người ta chưa tìm thấy cấu trúc bên trong của các hạt này, là 6 hạt
họ Lepton và 6 hạt Quack.
v 4
trường tương tác là trường hấp dẫn, trường điện từ, trường tương tác yếu và trường
tương tác mạnh.
Một
trong những bước đột phá về thành tựu của Vật lý hiện đại là sự phá vỡ quan niệm
về cấu trúc nguyên tử của thuyết cổ điển và bán cổ điển để hình thành nên thuyết
hiện đại hay thuyết lượng tử.
Hạt nhân nguyên tử được gọi tắt là hạt nhân,
là cấu trúc đặc khít (có khối lượng đạt đến 100 triệu tấn trên centimet khối),
chiếm chủ yếu của nguyên tử. Về cơ bản, theo các hiểu biết hiện nay thì hạt
nhân nguyên tử có kích thước bán kinh nằm khoảng 10-15 m, được cấu tạo
từ hai hạt: proton (mang điện tích dương) và neutron (không mang điện).
Năm 1913, nhà vật lý người Anh Henry Gwyn
Jeffreys Moseley (1887-1915) thấy rằng mỗi nguyên tố có một điện tích dương duy
nhất tại hạt nhân của nguyên tử. Do đó hạt nhân phải chứa một loại hạt mang điện
tích dương được gọi là proton. Số proton trong nguyên tử được gọi là nguyên tử
số. Proton được cấu thành từ 3 hạt quark. Proton được cấu tạo từ 3 hạt quark
thuộc loại hạt Fermion gồm có 2 quark xuống và 1 quark lên với Spin là ½. Các hạt
này liên kết vói nhau bởi lực điện từ, hấp dẫn. tương tác mạnh yếu. Notron Nhà
vật lý người Pháp Irene Joliot-Curie (1897-1956) đã tiến hành một thí nghiệm,
bà bắn phá một mẫu Berili bằng chùm alpha và làm phát ra một chùm hạt mới có khả
năng thấm sâu vật chất hơn nhiều lần chùm alpha. Năm 1932, nhà vật lý người Anh
James Chadwick (1891-1974) phát hiện ra rằng chùm hạt đó được tọa thành từ các
hạt có cùng khối lượng với proton. Do điện từ trường không làm lệch hướng chuyển
động của hạt này nên nó là một hạt trung hòa về điện và ông gọi nó là neutron.
Cấu trúc quark của neutron: Mỗi neutron gồm hai quark xuống và một quark lên.
Các neutron đóng vai trò quan trọng trong nhiều phản ứng hạt nhân.
Như vậy, việc nhận biết được nguyên tử gồm
nhiều điện tử chuyển động quanh hạt nhân và cấu trúc bên trong hạt nhân là một
thành tựu lớn của khoa học vô cùng quan trọng ở thế kỉ XX.
Lịch sử hình thành của nguyên tử cũng giống
như rất nhiều ngành khoa học khác, đã đưa ra được những quan điểm khác nhau để
từ đó tìm ra được bản chất của cấu tạo của nguyên tử, từ lý thuyết sơ khai đến
hiện đại. Từ đó góp phân vào giải quyết các vấn đề khoa học có liên quan. Các
giai đoạn khám phá và đấu tranh để loại bỏ các định nghĩa sai về nguyên tử phải
trải qua thời gian dài và có tính kế thừa từ các quan điểm cũ. Từ đó bản chất của
nó được tìm rõ ràng hơn, chi tiết hơn từ đơn giản nhất đến phức tạp nhất. Và cứ
như vậy thì sẽ còn nhiều điều mới mẽ đang chờ đợi con người khám phá ở phần
nguyên tử này. Quá trình khám phá nguyên tử cũng là phát triển của thế giới
nhân loại về việc nhận thức thế giới giữa vật chất và ý thức hay giữa duy tâm
và duy vật. Việc có định nghĩa đúng đắng của nguyên tử cũng bắt nguồn từ những
quan niệm về thế giới ngày càng đúng đắn của con người. Và việc tìm ra được rõ
cấu trúc của nguyên tử đã thúc đẩy nền khoa học hay hóa học nguyên tử của thế
giới có 1 cơ sở vũng chắc để phát triển và có những bước nhảy mới trong tương
lai.
CÂU 3
Cùng 1
nguyên tố có thể có những tính chất vật lý rất khác nhau tùy thuộc vào chất đơn
chất mà nó tạo thành. Những gì chúng tôi có thể nói về tính chất hóa học, điều
mà xác định khả năng phản ứng của các chất? Dưới đây là bức tranh phức tạp hơn
nhiều. Vì vậy, mọi nỗ lực bằng các cách khác nhau nhằm phân loại các nguyên tố
dựa trên tính chất hóa học của các chất được hình thành từ chúng đã không thành
công. Và Mendeleev là người đã thành công nhất trong việc tìm kiếm các quy luật
đó. Khi đã đưa ra hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học.
Dmitri
Ivanovich Mendeleev (8 tháng 2 [cũ 27 tháng
1] năm 1834 – 2 tháng 2 [cũ 20 tháng
1] năm 1907), là một nhà hoá học và nhà phát minh người Nga.
Ông có tham gia nhiều nguyên cứu về vật lý học, hóa học với các cuốn sách về
kính quang phổ, Mendeleev trở thành Giáo sư Hoá học tại Viện Công nghệ
Nhà nước Saint Petersburg và Đại học Nhà nước
Saint Petersburg năm 1863. Năm 1865 ông trở thành Tiến sĩ Khoa
học với luận văn "Về những hoá hợp của Nước và Rượu". Ông được bổ nhiệm năm 1867, và tới năm 1871 đã
biến Saint Petersburg thành một trung tâm được quốc tế công nhận trong lĩnh vực
nghiên cứu hoá học. Dù Mendeleev được các tổ chức khoa học trên khắp châu Âu ca
tụng, gồm cả Huy chương Copley từ Viện Hoàng gia London,
ông đã từ chức khỏi Đại học Saint Petersburg ngày 17 tháng 8 năm 1890. Năm
1893, ông được chỉ định làm Giám đốc Phòng Cân và Đo lường. Chính trong vai trò
này ông đã được giao trách nhiệm hình thành những tiêu chuẩn nhà nước mới cho
việc sản xuất vodka.
Nhờ công việc của ông, năm 1894 các tiêu chuẩn mới cho vodka được đưa vào trong
luật Nga và mọi loại vodka phải được sản xuất với nồng độ 40% cồn. Năm 1905,
Mendeleev được bầu làm một thành viên của Viện Hàn lâm
Khoa học Hoàng gia Thuỵ Điển. Đồng thời trong năm này ông được tặng
thưởng Huy chương Copley vàng danh giá. Năm sau
Hội đồng Nobel Hoá học đã đề xuất với Viện Hàn lâm Thuỵ Điển trao Giải Nobel Hoá học năm
1906 cho Mendeleev vì phát minh ra bảng tuần hoàn của ông nhưng ông đã không được
trao giải. Trong đó đóng góp to lớn của ông cho nền hóa học nhân loại ở năm
1871, Mendeleev đã công bố “hệ thống tự nhiên các nguyên tố và các ứng dụng của
nó vào việc đưa ra tính chất của các nguyên tố chưa được khám phá”.
Định luật
tuần hoàn được phát minh bởi nhà hóa học lỗi lạc người Nga D.I Mendeleev vào
năm 1869 trong quá trình làm việc trên văn bản của sách giáo khoa "Nền
tảng hóa học." Vào thời điểm đó, người ta đã biết về sự tồn tại của 63
nguyên tố hóa học. Nhà hóa học người nga đã gặp khó khăn trong việc hệ thống
hóa các số liệu thực tế của các nguyên tố và hợp chất của chúng. Mendeleev đã
dần dần đi đến kết luận rằng, tồn tại mối quan hệ nào đó giữa tính chất và
trọng lượng nguyên tử của các nguyên tố. Bước đầu tiên cho sự xuất hiện của quy
luật tuần hoàn là " hệ thống thực nghiệm của các nguyên tố, dựa trên trọng
lượng nguyên tử và sự tương đồng hóa học của chúng" (Hình 3.3). Khi lập
bảng, Mendeleev đã tránh được các lỗi của Newlands, người đã tin rằng trong mỗi
một dãy phải chứa cùng một số nguyên tố. Ông thiết lập một thứ tự thay đổi
chiều dài của các dãy (chu kỳ) này. Mendeleev đã để lại trong bảng những chỗ
trống, mà sự hiện diện của chúng được ông giải thích rằng vẫn còn có các nguyên
tố tương ứng chưa được phát hiện.
Sau đó,
Mendeleev đã đưa ra định luật: "Tính chất của các nguyên tố, và cả các
tính chất của các đơn chất và hợp chất được tạo thành từ chúng có một phụ thuộc
tuần hoàn với khối lượng nguyên tử của chúng". Giả định cơ sở định luật
của mình là sự tương đồng tính chất của các nguyên tố và hợp chất của chúng,
Mendeleev đã không quá đi sâu tìm hiểu nguyên lí tăng khối lượng nguyên tử.
Trong một số trường hợp, ông đã buộc phải đặt nguyên tố có khối lượng nguyên tử
lớn hơn trước nguyên tố có khối lượng nguyên tử nhỏ hơn. Mendeleev đã cân nhắc
rằng khối lượng nguyên từ của một số nguyên tố có thể đã được xác định không
chính xác.
Trước đây
khái niệm trọng lượng được đồng nhất hóa với khái niệm khối lượng, tuy nhiên
giờ đây chỉ còn được sử dụng như là khái niệm lực tương tác giữa vật chất với
trường lực hấp dẫn. Để đặc trưng cho quán tính của vật chất và khả năng tạo
trường lực hấp dẫn người ta sử dụng khái niệm khối lượng. Mặc dù khối lượng
được xác định bằng cân, kết quả của sự cân chính xác hơn được gọi là khối lượng
chứ không phải trọng lượng. Do đó, khái niệm trọng lượng nguyên tử được thay thế
bằng "khối lượng nguyên tử". Ngay cả trong bảng tuần hoàn hiện đại
cũng được biết đến một số trường hợp ngoại lệ trong thứ tự tăng dần khối lượng
nguyên tử, đó là đặc tính của các thành phần đồng vị của các nguyên tố:
Định luật
tuần hoàn không có biểu thức toán học số lượng nào dưới hình thức phương trình
hay công thức. Qui luật tuần hoàn được biểu diễn dưới dạng bảng – bảng hệ thống
tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Trong suốt quá trình hình thành đã có hơn 50
bảng hệ thống tuần hoàn khác nhau được công bố. Ngày nay, phổ biến nhất là bảng
hệ thống tuần hoàn được đề xuất bởi Mendeleev dưới dạng bảng ngắn và dài. tử,
đó là đặc tính của các thành phần đồng vị của các nguyên tố: Định luật tuần
hoàn không có biểu thức toán học số lượng nào dưới hình thức phương trình hay
công thức. Qui luật tuần hoàn được biểu diễn dưới dạng bảng – bảng hệ thống
tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Trong suốt quá trình hình thành đã có hơn 50
bảng hệ thống tuần hoàn khác nhau được công bố. Ngày nay, phổ biến nhất là bảng
hệ thống tuần hoàn được đề xuất bởi Mendeleev dưới dạng bảng ngắn và dài.
Năm 1871,
Mendeleev đã công bố “hệ thống tự nhiên các nguyên tố và các ứng dụng của nó
vào việc đưa ra tính chất của các nguyên tố chưa được khám phá”. Trong bài báo
này, Mendeleev đã mô tả chi tiết ba nguyên tố chưa được phát hiện và đưa vào
bảng của mình ở vị trí giữa canxi và titan; giữa kẽm và asen. Mendeleev đặt tên
cho chúng là "ekabor", "ekaalumium" và "ekasilic"
– theo tên gọi của các nguyên tố đã biết mà các nguyên tố mới này là các nguyên
tố tương tự với chúng.
Sau khi
nghiên cứu tính chất của nó, Winkler nói rằng nguyên tố do ông phát hiện ra
hoàn toàn trùng hợp với "ekasilicium" của Mendeleev. Ông là một trong
những người đầu tiên đã đánh giá cao nhất học thuyết tính chu kỳ, tính đúng đắn
của nó đã được chứng minh bởi "sự hiện thực hóa giả thiết ekasilicium một
lần nữa trong nguyên tố mới được tìm thấy", được gọi là germanium. Đến
trước khi bảng hệ thống tuần hoàn được phát minh bởi Mendeleev chỉ có một vài
nguyên tố được biết đến, mà sau này người ta gọi là các nguyên tố đất hiếm:
yttrium, lantan, xeri, praseodymium, terbium và erbium. Mendeleev đã sắp xếp
những nguyên tố này trong nhóm thứ ba và thứ tư trong bảng của mình, nơi vẫn
còn có những ô trống. Thời gian sau đó bắt đầu xuất hiện tất cả các nguyên tố
còn lại của nhóm các nguyên tố đất hiếm.
Tính chất
hóa học của các nguyên tố đất hiếm giống nhau một cách lạ thường, khối lượng
nguyên tử của chúng cũng khác nhau rất ít, và vị trí dành cho chúng trong nhóm
3 và 4 của bảng hệ thống tuần hoàn là không đủ. Theo những điểm tương đồng về
tính chất thì các nguyên tố đất hiếm phải nằm trong một nhóm riêng biệt. Ngoài
ra, dựa trên khối lượng nguyên tử của các nguyên tố (ngoại trừ ytri), người ta
sắp xếp chúng liền nhau trong cùng một chu kì giữa bari và tantali. Kết hợp hai
điều kiện này dường như là không thể. Mendeleev đã cố gắng để giải quyết vấn đề
này. Kể từ năm 1881, ông đã trao đổi thư từ với các nhà hóa học Séc Bohuslav
Brauner (1855-1935), người đã cống hiến sự nghiệp khoa học của mình cho hóa học
các nguyên tố đất hiếm. Năm 1902, Brauner đề nghị sắp xếp các nguyên tố đất
hiếm trong một nhóm đặc biệt "interperiodi
Cheskaya", nối tiếp nhóm 4 và bắt đầu từ xeri. Mendeleev cũng có xu
hướng kết luận rằng các yếu tố đất hiếm cần được sắp xếp trong một nhóm riêng
biệt. Đối với một số nguyên tố được phát hiện sau sự ra đời của bảng hệ thống
tuần hoàn, đã không có sẵn vị trí của chúng ngay trong bản đầu tiên của bảng
tuần hoàn. Trong lưu trữ của Mendeleev được tìm thấy một số lượng không nhỏ các
bản phác thảo, trong đó vào năm 1869 ông đã phác thảo bản các nguyên tố có hóa
trị chẵn. Khối lượng nguyên tử của các nguyên tố theo qui luật sẽ cách nhau bốn
đơn vị. Tuy nhiên sự cách biệt giữa khối lượng nguyên tử oxy và magiê; canxi và
lưu huỳnh là 8. Mendeleev đã thừa nhận khả năng tồn tại các nguyên tố chưa được
biết đến, mà theo logic của cơ sở bảng hệ thống tuần hoàn thì chúng có hóa trị
0 và nằm ở các vị trí giữa oxy và magiê; lưu huỳnh và canxi. Những quan điểm
của ông được sáng tỏ khi được các nhà khoa học khác tìm ra các nguyên tố theo
đúng như dự đoán của mình đó là Jules Janssen (1824-1907), Anh Norman Lockyer
(1836-1920 tìm ra nguyên tố đó là heli. Họ đã chỉ ra rằng khí được tách ra
không hề tác dụng với bất kì một chất hóa học nào, vì vậy nó được đưa vào nhóm
“khí hiếm”. Năm 1898 Ramsay và sinh viên của mình Morris William Travers
(1872-1961) bằng phương pháp quang phổ đã phát hiện ra thêm một vài khí hiếm
nữa: neon, kripton và xenon.
Mendeleev
tin rằng các ô trống có thể không chỉ ở bên trong mà còn có thể ở bên ngoài
bảng hệ thống tuần hoàn. Đến giữa thế kỷ XX các ô trống bên trong bảng hệ thống
tuần hoàn đã không còn, nhưng việc tìm kiếm các nguyên tố mới vẫn được tiếp
tục.
