Bốn nguyên tố đất, nước, khí, lửa không bị bác bỏ trong một thí nghiệm, mà bị tháo rời từng cái một trong khoảng 150 năm, từ thế kỷ 17 tới đầu thế kỷ 19. Khí hoá ra là hỗn hợp nhiều chất khí; nước tách được thành hydro và oxy; lửa không phải một chất mà là hiện tượng; còn các loại "đất" hoá ra là hợp chất của những kim loại chưa ai thấy. Thay vào bốn nguyên tố là một định nghĩa mới, và danh sách nguyên tố tăng dần tới con số 118 ngày nay.
Bước đầu tiên: đổi định nghĩa "nguyên tố"
Năm 1661, Robert Boyle xuất bản The Sceptical Chymist (Nhà hoá học hoài nghi), viết dưới dạng đối thoại. Boyle không đưa ra danh sách nguyên tố mới. Ông làm một việc khó hơn: hỏi lại thế nào mới gọi là nguyên tố. Theo ông, nguyên tố phải là những vật thể đơn giản, không pha trộn, mà mọi hợp chất được tạo nên từ chúng và có thể phân giải trở lại thành chúng. Rồi ông chỉ ra rằng đốt một khúc gỗ chưa chứng minh được gì về bốn nguyên tố: lửa có thể đang tạo ra chất mới chứ không chỉ "tách" ra cái có sẵn.
Hơn một thế kỷ sau, Antoine Lavoisier biến ý của Boyle thành một tiêu chuẩn làm việc: nguyên tố là chất mà các phương pháp phân tích hiện có không tách ra được nữa. Định nghĩa này khiêm tốn một cách khôn ngoan. Nó thừa nhận danh sách có thể thay đổi khi kỹ thuật tiến bộ, và đó chính là điều đã xảy ra.
Khí: không phải một chất mà là nhiều chất
Thế kỷ 18 là thời của "hoá học khí". Các nhà khoa học học được cách thu khí bằng chậu nước hoặc chậu thuỷ ngân, và lần lượt phát hiện ra rằng "khí" có nhiều loại với tính chất khác hẳn nhau.
- Thập niên 1750: Joseph Black ở Scotland nghiên cứu "khí cố định", tức khí cacbonic, thoát ra khi nung đá vôi.
- 1766: Henry Cavendish mô tả "khí cháy được" thu từ kim loại và axit, tức hydro.
- 1772: Daniel Rutherford tách được phần khí không nuôi được sự cháy và sự sống, tức nitơ.
- Đầu thập niên 1770: Carl Wilhelm Scheele ở Thuỵ Điển và Joseph Priestley ở Anh, độc lập với nhau, điều chế được oxy. Ai tìm ra trước vẫn là chuyện được bàn nhiều.
Tới cuối thế kỷ, không khí ta thở không còn là một nguyên tố mà là hỗn hợp, phần lớn là nitơ và oxy. Nguyên tố "khí" của Empedocles là cái đầu tiên đổ.
Nước: đốt hydro thì ra nước
Cavendish đốt hydro trong không khí và thấy thành bình đọng nước. Kết quả thí nghiệm làm từ năm 1781 này được công bố năm 1784. Cùng thời gian đó, Lavoisier và các cộng sự lặp lại phép tổng hợp, rồi làm chiều ngược lại: năm 1784, Lavoisier cùng Jean-Baptiste Meusnier cho hơi nước đi qua một ống sắt nung đỏ, sắt giữ lại oxy và phía bên kia thu được hydro. Nước bị tách ra và ghép lại được, nghĩa là nó là hợp chất.
Năm 1800, ngay khi tin về cột pin đầu tiên của Alessandro Volta tới London, William Nicholson và Anthony Carlisle dùng dòng điện tách nước thành hai khí. Từ đó, điện phân trở thành công cụ mạnh nhất để bẻ gãy những chất trước nay tưởng là không bẻ được.
Lửa: từ "chất nhiệt" tới năng lượng
Lửa sống dai nhất. Thế kỷ 18, nhiều nhà hoá học tin vào phlogiston, một chất được cho là thoát ra khi vật cháy. Lavoisier dẹp bỏ phlogiston bằng thuyết cháy là kết hợp với oxy, câu chuyện đã có bài riêng trong hệ wiki. Nhưng chính Lavoisier vẫn chưa thoát hẳn khỏi nguyên tố "lửa". Trong Traité élémentaire de chimie (1789), danh sách 33 "chất đơn giản" của ông mở đầu bằng ánh sáng và "calorique", chất nhiệt.
Chất nhiệt bị lung lay khi Bá tước Rumford, năm 1798, quan sát việc khoan nòng pháo ở xưởng quân khí Munich: khoan mãi thì nhiệt sinh ra mãi, không có dấu hiệu cạn, nên nhiệt khó là một chất có lượng hữu hạn. Tới giữa thế kỷ 19, công trình của James Joule và các nhà vật lý khác xác lập nhiệt là một dạng năng lượng. Lửa không còn là nguyên tố, cũng không còn là chất. Ngọn lửa là khí đang phản ứng và phát sáng.
Đất: những kim loại ẩn mình
Danh sách của Lavoisier có cả năm loại "đất": vôi, magiê oxit, bari oxit, nhôm oxit và silic. Lavoisier đã ngờ rằng chúng là oxit của những kim loại chưa tách được, nhưng thời đó chưa có cách tách. Dòng điện đã giải quyết.
Năm 1807, Humphry Davy ở Viện Hoàng gia London dùng bộ pin lớn điện phân kali hydroxit và natri hydroxit nóng chảy, thu được hai kim loại mới: kali và natri. Năm 1808, ông tiếp tục tách được canxi, magiê, bari và stronti. Những "đất" cổ điển hoá ra là hợp chất của các kim loại nhẹ, phản ứng mạnh tới mức tự nhiên không bao giờ để chúng ở dạng nguyên chất.
Đếm nguyên tố qua các thời kỳ
| Thời điểm | Số nguyên tố được thừa nhận | Ghi chú |
|---|---|---|
| Thế kỷ 5 TCN – thế kỷ 17 | 4 (cộng ether cho bầu trời) | Empedocles, Aristotle |
| 1789 | 33 "chất đơn giản" | Danh sách của Lavoisier, còn có ánh sáng, chất nhiệt và năm loại đất |
| 1808 | Thuyết nguyên tử | John Dalton: mỗi nguyên tố có một loại nguyên tử với khối lượng riêng |
| 1869 | Khoảng 63 | Mendeleev xếp bảng tuần hoàn, để trống ô cho nguyên tố chưa biết |
| 1913 | Số hiệu nguyên tử | Henry Moseley cho thấy thứ tự thật là số điện tích hạt nhân |
| 1940 | Vượt qua urani | Neptuni, nguyên tố đầu tiên nặng hơn urani được tạo ra |
| 2016 | 118 | IUPAC đặt tên bốn nguyên tố 113, 115, 117, 118, lấp đầy chu kỳ 7 |
Nguyên tố 118 mang tên oganesson, theo tên nhà vật lý Yuri Oganessian. Các nguyên tố siêu nặng như vậy chỉ được tạo ra vài nguyên tử một lần trong máy gia tốc, tồn tại một phần nghìn giây rồi phân rã. Các phòng thí nghiệm vẫn đang tìm cách tạo nguyên tố 119 và 120, nhưng chưa có nguyên tố mới nào được công nhận sau con số 118.
Cái gì của người xưa còn đúng
Khi bốn nguyên tố sụp đổ, không phải mọi ý tưởng cổ đều sai. Empedocles nói vật khác nhau vì cùng vài thành phần mà phối theo tỉ lệ khác nhau; hoá học hiện đại nói đúng như thế, chỉ là có 118 thành phần chứ không phải bốn, và tỉ lệ được viết thành công thức như H₂O.
Còn Aristotle, người tin nguyên tố này chuyển được thành nguyên tố kia, thì bị hoá học thế kỷ 19 coi là sai: nguyên tố là bất biến. Nhưng vật lý hạt nhân thế kỷ 20 lại cho thấy biến đổi nguyên tố là có thật, chỉ không làm được bằng lò lửa của nhà giả kim. Năm 1919, Ernest Rutherford biến nitơ thành oxy bằng cách bắn hạt alpha. Người ta cũng từng tạo ra vài nguyên tử vàng từ bismut trong máy gia tốc, với chi phí lớn hơn giá trị số vàng đó rất nhiều lần.
Góc nhìn hôm nay
Câu chuyện từ bốn tới 118 là bài học về cách khoa học bỏ một ý tưởng: không ai chứng minh "bốn nguyên tố sai" trong một ngày. Người ta đổi định nghĩa, làm ra dụng cụ mới (chậu thu khí, cân chính xác, cột pin), rồi từng mảnh của khung cũ không còn đứng được. Định nghĩa của Lavoisier đáng nhớ nhất vì nó tự chừa chỗ cho chính mình bị sửa.
Muốn đọc tiếp, cuốn The Disappearing Spoon của Sam Kean kể chuyện từng nguyên tố rất dễ đọc; bảo tàng Musée des Arts et Métiers ở Paris trưng bày nhiều dụng cụ thí nghiệm của Lavoisier. Một việc tự làm được: lấy bảng tuần hoàn, tô màu các nguyên tố theo thế kỷ được phát hiện, bạn sẽ thấy rõ thế kỷ 19 với điện phân và quang phổ đã "mở" bảng nhanh thế nào.
Câu hỏi thường gặp
Ai bác bỏ thuyết bốn nguyên tố?
Không có một người duy nhất. Robert Boyle năm 1661 đặt nghi vấn và đổi định nghĩa nguyên tố, các nhà hoá học khí thế kỷ 18 chứng minh không khí là hỗn hợp, Cavendish và Lavoisier chứng minh nước là hợp chất, Davy năm 1807–1808 tách kim loại từ các loại "đất".
Nước được chứng minh là hợp chất khi nào?
Năm 1784, Cavendish công bố việc đốt hydro tạo ra nước, và cùng năm Lavoisier với Meusnier tách hơi nước bằng ống sắt nung đỏ để thu hydro. Năm 1800, Nicholson và Carlisle điện phân được nước thành hai khí.
Lavoisier liệt kê bao nhiêu nguyên tố?
Trong Traité élémentaire de chimie năm 1789, Lavoisier liệt kê 33 chất đơn giản. Danh sách này có cả ánh sáng và chất nhiệt (calorique), cùng năm loại "đất" mà sau đó Davy chứng minh là oxit kim loại.
Hiện nay có bao nhiêu nguyên tố hoá học?
Có 118 nguyên tố đã được IUPAC công nhận và đặt tên. Bốn nguyên tố cuối, số 113, 115, 117 và 118, được đặt tên năm 2016, lấp đầy chu kỳ 7 của bảng tuần hoàn. Nguyên tố nặng nhất là oganesson.
Có thể biến chì thành vàng không?
Về nguyên tắc là có, bằng phản ứng hạt nhân chứ không phải phản ứng hoá học. Người ta đã tạo ra vài nguyên tử vàng từ bismut trong máy gia tốc, nhưng chi phí lớn hơn giá trị số vàng thu được rất nhiều lần.
