Sau 150 năm tồn tại, có phải đã đến lúc đảo lộn bảng tuần hoàn Mendeleev?

Khi Hiệp sĩ* Martyn Poliakoff, một nhà hóa học tại Đại học Nottingham, biết về trò chơi "Trận chiến bảng tuần hoàn", ông đã tưởng tượng ra góc nhìn của người chơi phía đối diện với một dãy nguyên tố sắp xếp ngược lại. Đây là khởi nguồn cho một ý tưởng điên khùng.

Trong tháng 5, cùng với đợt kỷ niệm 150 năm hình thành và là Năm Thế giới về Bảng Tuần hoàn của UNESCO, Poliakoff và đồng nghiệp đã công bố một nghiên cứu với ý tưởng: "Đảo lộn bảng tuần hoàn".

Họ cho biết, từ năm 1869, nhiều thế hệ các nhà hóa học đã đưa ra các ý tưởng để điều chỉnh nhằm cải tiến bảng tuần hoàn, có thể là làm cho nó rõ hơn hoặc chỉ đơn giản là vui hơn.

Bảng tuần hoàn các nguyên tố, xây dựng bởi nhà hóa học người Nga Dmitri Mendeleev (1834-1907) là một mảng hai chiều các nguyên tố hóa học, được sắp xếp theo số nguyên tố và số orbitan. Bảng tuần hoàn hóa học thể hiện một hình mẫu và xu hướng cho phép các nhà khoa học tiên đoán đặc tính các nguyên tố, phản ứng hóa học và cả nguyên tố mới.

Nó còn được gọi là "hòn đá Rosetta của tự nhiên", "bản đồ hóa học" và "có thể là bản tổng hợp có nghĩa và gọn gàng nhất mà tri thức mang lại".

Tại hội thảo kỷ niệm 150 năm Bảng tuần hoàn các nguyên tố vừa rồi tại San Diego, vợ chồng nhà hóa học Gregory Girolami và vợ là Vera Mainz đã cho biết, giống như việc nhìn vào bản đồ nước Mỹ, và người xem đang ở Maine thì có thể nói rằng nhiệt độ thấp hơn ở Florida.

Chỉ bằng cách nhìn vào vị trí của nguyên tố trong bảng tuần hoàn Mendeleev, người ta có thể biết được nhiều thông tin về nguyên tố đó như là kim loại hay không, có nhiều trên Trái đất hay không. Bà Mainz còn nói thêm rằng: "Nếu như bạn muốn giao tiếp với một chủng loài ngoài hành tinh, hãy đưa ra bảng tuần hoàn."

Dữ liệu Internet về Bảng tuần hoàn có hơn 1000 phiên bản, bao gồm bảng các nguyên tố hiếm, cũng như bảng bánh cốc, đồng hồ, Lego và nhiều biến thể kỹ thuật khác. Nhà toán học và nhạc sỹ Tom Lehrer dùng nó cho âm nhạc, trong khi nhà hóa học và nhà văn Primo Levi người Ý thì lại dùng nó làm cơ sở cho bảng ghi nhớ.

Rất nhiều người tin rằng chỉ có một bảng tuần hoàn thực sự, có thể là đang tồn tại hoặc sẽ được khám phá, và họ tiếp tục tranh luận về tính xác đáng của những loại khác nhau. Theo Poliakoff, hầu hết các loại đều có giá trị như nhau, nó phụ thuộc vào bạn đang muốn thể hiện cái gì.

Phiên bản đảo ngược của bảng tuần hoàn là nhằm trình bày giá trị của một góc nhìn mới. Các tác giả của nghiên cứu cho biết, họ không nhằm chứng tỏ phiên bản của họ là "đúng đắn hơn" phiên bản truyền thống.

Bảng tuần hoàn đem sự chắc chắn đến một lĩnh vực mà từ lâu nay không ổn định. Hiệp sĩ Issac Newton, trong cuốn sách Quang học năm 1717 đã liệt kê và xếp các hợp chất hóa học theo tính chất phản ứng. Năm 1718, "bảng tổng hợp" đầu tiên của nhà hóa học người Pháp Etienne Francois Geoffroy đã sắp xếp tính phản ứng của vật liệu theo dạng bảng biểu.

Những nhà thực nghiệm tự nhiên nhận thấy rằng những nguyên tố hóa học như Lithium, Na và K (ngày nay gọi là nhóm kim loại kiềm) đều mềm và nổi trên nước. Nhưng những phân loại định tính như vậy không có nền tảng vững chắc.

Đột phá xảy ra vào năm 1860 khi nhà hóa học người Ý Stanislao Cannizzaro đã định hình nghiên cứu về khối lượng nguyên tử. Đã có nhiều danh sách khác nhau về khối lượng nguyên tử cùng nhiều giả thuyết về cái đóng góp xây dựng nên hạt nhân và nguyên tử.

Cannizzaro đưa ra một danh sách khối lượng nguyên tử của các nguyên tố đã biết, cùng với sự giải thích khi ông tham dự hội thảo tại Karlsruhe, Đức.

Theo nhà sử học Eric Scerri tại Đại học California, Los Angeles, công trình của Cannizzaro đã mở ra cánh cửa cho cái được gọi là khám phá đồng thời của sáu cá nhân trong vòng bảy năm và kết tụ tại Mendeleev. Năm 1862, nhà địa chất học người Pháp Alexandre Emile Beguyer de Chancourtois đã xây dựng một bảng ba chiều, khắc tên các nguyên tố quanh một hình trụ kim loại.

John Newlands tại London đã sắp xếp các nguyên tố theo thứ tự khối lượng nguyên tử trong từng nhóm tám. Nhà hóa học người Anh William Odling phát hiện ra rằng "quy luật tuần hoàn" xảy ra theo từng khoảng. Gustavus Hinrichs đề xuất một cách xếp mới, gọi là bảng tuần hoàn bánh xe đạp.

Mendeleev đã để sẵn khoảng trống cho những nguyên tố chưa tìm ra. (Ảnh: The Independent)

Lothar Meyer, nhà hóa học người Đức, đã tạo ra một phần của bảng tuần hoàn năm 1864 và phiên bản hoàn chỉnh năm 1869. Theo Alan Rocke, nhà sử học tại Đại học Case Western Reserve, thì về mặt cấu trúc, bảng tuần hoàn của Meyer và Mendeleev là rất giống nhau. Lúc đầu, sự tuần hoàn và sức mạnh của sự dự đoán dường như là một điều bí ẩn.

Trong thế kỷ 20, sự tuần hoàn được giải thích theo vật lý lượng tử. Lithium, Na và K được đặt trong cột đầu của bảng tuần hoàn, nhóm I, các kim loại kiềm với Rubidium, Cesium và Francium đều có một electron ở lớp ngoài cùng.

Các nhà hóa học đã xây dựng rất nhiều bảng, điều chỉnh chúng theo những khám phá mới và dữ liệu tốt hơn. Cuối cùng thì Mendeleev đã chiến thắng. Khi khoảng trống xuất hiện trong bảng tuần hoàn của mình, ông đã dự đoán về nguyên tố sẽ xuất hiện. Một số là sai nhưng ông đã tiên đoán chính xác sự tồn tại của ba nguyên tố: Galium, Germanium và Scandium.

Theo Scerri, tiên đoán là một chấn động tâm lý. Khi mà một nhà khoa học tiên đoán điều gì đó và nó trở thành sự thực, người ta cảm thấy rằng nhà khoa học đó biết bí mật của tự nhiên và gần như biết trước tương lai.

Scerri cho rằng khoa học chẳng mấy khi tiến bộ bằng cách mạng. Khoa học là một hoạt động được tiến hành bởi hàng trăm hàng ngàn nhà nghiên cứu cùng đóng góp cho bức tranh chung sẽ xuất hiện. Đây cũng là khẩu hiệu tại hội thảo kỷ niệm.

Nhà sử học Brigitte Van Tiggelen tại Philadelphia đã trình bày câu chuyện về Ida Noddack, người tìm ra Rhenium và Lise Meitner, người tìm ra Protactinium. Tiggelen là biên soạn của cuốn sách "Phụ nữ trong Nguyên tố của họ", với hơn 30 câu chuyện, bao gồm cả Marie Curie, người đã tìm ra Radium và Polonium_{(đọc chi tiết tại đây)}.

Bảng tuần toàn đem lại nhiều đóng góp, một trong đó khiến các nhà hóa học hướng về giả kim thuật. Newton bị ám ảnh bởi thuật giả kim và với bảng tuần hoàn, ông hy vọng biến kim loại thành vàng.

Trong nhiều năm, William Newman, một sử gia tại Đại học Indiana đã thực hiện lại những nghiên cứu của Newton. Trong cuốn sách mới của mình, Newman cho rằng Newton đã tổng hợp ra một số vật liệu mới mà chúng ta chưa khám phá ra.

Ngay cả dưới ánh sáng của khoa học hiện đại, các phản ứng hóa học vẫn rất hấp dẫn. Trong một hỗn hợp vật lý, bạn nhận được hỗn hợp tổng hợp khi trộn A với B. Nhưng trong hóa học, khi trộn A với B bạn có một thứ mới mẻ. Lấy ví dụ phản ứng giữa Na, một kim loại độc, với Cl cũng là chất độc.

Khi kết hợp lại chúng sinh ra một thứ mới hoàn toàn, không chỉ không độc mà còn quan trọng với cuộc sống, đó chính là muối ăn. Như lời Scerri, đó là phép thuật.

Tại thời điểm đó, giả kim thuật vẫn là một công việc thực sự, khi mà các nhà vật lý hạt nhân và hóa phóng xạ đẩy các giới hạn kiến thức với những nguyên tố mới. Nguyên tố tự nhiên nặng nhất trong bảng tuần hoàn là Uranium, có số khối 92 (với 92 proton trong hạt nhân).

Nhưng bảng tuần hoàn còn chứa đựng nhiều hơn; nguyên tố nặng nhất hiện nay là 118 Oganesson, một nguyên tố siêu nặng với 118 proton và chu kỳ bán rã nửa mili giây. Nó được tổng hợp năm 2002 bởi Yuri Oganessian và đội nghiên cứu Nga-Mỹ tại Trung tâm nghiên cứu hạt nhân ở Dubna, phía bắc Moscow.

Vào đầu năm 2020, các nhà khoa học sẽ cố gắng tổng hợp nguyên tố 119 và 120 với phòng thí nghiệm Nhà máy nguyên tố siêu nặng và các đầu dò có độ nhạy gấp 100 lần. Họ hy vọng sẽ chạm đến "hòn đảo của sự ổn định", một vùng trên bảng tuần hoàn nơi các nguyên tố siêu nặng tồn tại lâu hơn.

Các nguyên tố siêu nặng đưa đến những câu hỏi thú vị, như lời Oganessian, thì liệu chúng có hành xử như tiên đoán từ bảng tuần hoàn. Cho đến nay, chỉ một vài yếu tố là giống như mong đợi. Nhưng khi số khối tăng lên, sự sai lệch cũng tăng theo.

Hay theo lời của Pekka Pyykko, một nhà hóa học tại Đại học Helsinki, thì có thể nếu như chúng ta sửa đổi đôi chút. Pyykko đã xây dựng một bảng tuần hoàn phân chia các nguyên tố đến số khối 172.

Ông thấy rằng, xác suất tìm thấy các nguyên tố nặng nhất là nhỏ hơn cả việc đánh một quả bóng gôn từ Tokyo và rơi xuống lỗ trên đỉnh núi Phú sĩ. Nếu các nhà khoa học may mắn, các nguyên tố siêu siêu nặng được tổng hợp có thể có hạt nhân với cấu trúc kỳ dị, như hình cái bánh rán chẳng hạn.

Pyykko cho rằng, không ai tin điều đó cả, nhưng đó là một khả năng. Khả năng khác là một hạt nhân chứa một số lượng kỳ dị proton, neutron hoặc cả hai, sao cho chúng sắp xếp thành các lớp hạ nguyên tử hoàn chỉnh.

Các hạt nhân kì dị này thường có độ ổn định cao. Nếu như chúng ta có thể tìm thấy một hạt nhân kì dị đôi thì đó là cơ hội tốt nhất.

Chú thích:

Hiệp sĩ (hiện đại) là tước hiệu danh dự được Nữ hoàng Anh phong cho những cá nhân có đóng góp lớn cho xã hội.

Nếu được phong thì tên của họ sẽ được thêm vào từ "Sir" (ngài), nếu là phụ nữ thì là "Dame" (quý bà).

Theo Independent (Anh)