Hóa học trong vai trò là một môn khoa học nghiêm túc và quan trọng thường được xác định là ra đời từ năm 1661, khi Robert Boyle của Oxford xuất bản cuốn The Sceptical Chymist – tác phẩm đầu tiên phân biệt giữa nhà hóa học và nhà giả kim – nhưng đó là sự quá độ diễn ra chầm chậm. Vào thế kỷ mười tám các học giả vẫn cảm thấy thoải mái khi người ta gọi mình là nhà hóa học hoặc nhà giả kim – chẳng hạn như học giả người Đức Johann Becher, ông là người đã tạo ra tác phẩm vô song nói về khoáng vật học, Physica Subterranea.
Có lẽ ví dụ tốt nhất điển hình cho sự ngẫu nhiên của môn hóa học vào những ngày đầu chính là khám phá của một người Đức tên là Hennig Brand năm 1675. Brand tin chắc rằng vàng có thể được chưng cất từ nước tiểu của con người. (Sự giống nhau về màu sắc có lẽ là một yếu tố khiến ông có kết luận này). Ông thu gom năm mươi thùng nước tiểu của con người, ông cất giữ chúng trong kho suốt nhiều tháng. Qua nhiều quá trình bí hiểm, trước tiên ông biến nước tiểu thành thứ bột nhão độc hại và sau đó ông biến nó thành một chất giống như sáp có màu trong mờ. Dĩ nhiên đây vẫn chưa phải là vàng, nhưng một điều thú vị và kỳ lạ đã xuất hiện. Sau một khoảng thời gian, chất này bắt đầu lấp lánh. Hơn nữa, khi đem phơi ra ngoài, nó thường tự bốc cháy.
Tiềm năng thương mại của chất này – sau đó được gọi là phosphorus (photpho), từ này xuất nguồn từ tiếng Hy Lạp và La Tinh có nghĩa là “phát sáng” – được các thương gia chú ý đến, nhưng những khó khăn trong quá trình sản xuất khiến nó trở nên quá đắt tiền nên không thể khai thác. Một aoxơ (tương đương 28,35 gam) photpho được bán với giá sáu ghinê (tiền vàng của nước Anh xưa, tương đương 21 silinh) – có lẽ khoảng năm trăm đô-la của ngày nay – hoặc mắc hơn vàng.
Đầu tiên, những người lính được kêu gọi để cung cấp nguyên liệu thô, nhưng điều đó vẫn không có lợi gì cho quá trình sản xuất. Vào những năm 1750, một nhà hóa học người Thụy Điển tên là Karl (hoặc Carl) Scheele phát minh ra phương pháp sản xuất photpho với số lượng lớn mà không cần có nước tiểu. Chính vì điều này mà Thụy Điển đã trở thành, mãi đến nay, nhà sản xuất diêm quẹt hàng đầu.
Scheele vừa là người phi thường vừa là người kém may mắn bậc nhất. Là một dược sĩ nghèo với rất ít công cụ tiên tiến, ông khám phá ra tám nguyên tố – chlorine (clo), fluorine (flo), manganese (mangan), barium (bari), molybdenum, (molypden), tungsten (vonfram), nitrogen (nitơ), và oxygen (oxy) – và chẳng nhận được bất kỳ bằng khen ngợi nào về việc này. Ông không trình bày những khám phá của mình trước công chúng mãi đến khi có một ai đó có được những khám phá tương tự. Ông cũng khám phá được nhiều hợp chất hữu ích khác, trong số chúng có amonia (amoniac), glycerin (glyxerin), và tannic acid (axit tanic), và là người đầu tiên nhận ra được tiềm năng thương mại của clo với tác dụng tẩy trắng – tất cả những thứ này đều là bước đột phá giúp người khác trở nên giàu sụ.
Một trong những đặc điểm kỳ lạ của Scheele là ông luôn khăng khăng nếm thử tất cả những chất liệu mà ông đang nghiên cứu, gồm cả thủy ngân, axit xyanhhydric (đây là một trong những khám phá của ông), và axit clohydric – một hợp chất nổi tiếng là độc hại mà 150 năm sau Erwin Schrodinger chọn nó làm độc tố cho thử nghiệm của mình (xin xem thêm phần cuối Chương 9). Cuối cùng sự liều lĩnh của Scheele đã khiến ông phải trả giá. Năm 1786, ở độ tuổi bốn mươi ba, người ta phát hiện ông nằm chết ngay trên ghế làm việc của mình, trong phòng chất đầy những chất hóa học độc hại, tất cả những chất này đều đã góp phần tạo ra cái chết của ông.
Nếu cả thế giới này đều nói tiếng Thụy Điển thì Scheele đã được hoan nghênh trên toàn cầu. Thay vì nhận được sự ca ngợi từ các nhà hóa học nổi tiếng, hầu hết những lời ca ngợi này đều đến từ các quốc gia nói tiếng Anh. Scheele khám phá oxy vào năm 1772, nhưng vì nhiều lý do phức tạp đáng tiếc nên bản thuyết trình của ông không được phát hành đúng lúc. Thay vì vậy, sự ca ngợi lại dành cho Joseph Priestley, người đã tự mình khám phá oxy, nhưng muộn hơn, vào mùa Hè năm 1774. Thậm chí đáng chú ý hơn nữa chính là việc Sheele không nhận được sự hoan nghênh dành cho khám phá về chlorine (clo) của mình. Gần như mọi sách giáo khoa đều cho rằng clo là một khám phá của Humphry Davy, thực ra Humphry đã tự mình khám phá được clo, nhưng muộn hơn Scheele ba mươi sáu năm.
Dù hóa học đã bước một chặng đường dài trong thế kỷ này, tạo ra sự khác biệt giữa Newton và Boyle với Scheele và Priestley và Henry Cavendish, nó vẫn còn một chặng dài phía trước. Vào những năm kết thúc thế kỷ mười tám các nhà khoa học khắp nơi tìm kiếm, và đôi khi họ tin rằng họ đã thực sự tìm được, những thứ chưa xuất hiện: khí hư, axit khử photpho, florizin, calxes (tro để lại sau khi nấu kim loại), và, trên hết, phlogiston, đây là chất được xem là nhân tố chủ yếu trong sự cháy. Ngoài ra, người ta nghĩ rằng đâu đó cũng tồn tại một chất bí ẩn được gọi là elan vital, chất có thể làm vật vô tri hồi sinh. Không ai biết được tinh chất siêu nhiên này nằm ở đâu, nhưng dường như có hai khả năng có thể xảy ra: bạn có thể làm nó trở nên sống động bằng cách kích điện cho nó (một khái niệm mà Mary Shelley đã tận dụng để tạo ra hiệu ứng tối đa trong cuốn tiểu thuyết Frankenstein), và nó tồn tại trong một số vật chất nhất định nào đó – đây là lý do tại sao chúng ta có hai nhánh hóa học: hữu cơ (đối với những chất được xem là sở hữu tinh chất này), và vô cơ (đối với những chất được xem là không sở hữu tinh chất này).
Chúng ta cần có ai đó thông thái để tạo ra một cuộc cách mạng trong hóa học, đưa hóa học đến với một thời kỳ hiện đại, và chính người Pháp đã tạo ra một người như thế. Tên ông ta là Antoine-Laurent Lavoisier. Sinh năm 1743, Lavoisier là một thành viên của tầng lớp quý tộc thứ yếu (cha ông đã mua danh hiệu này cho gia đình). Năm 1768, ông làm việc cho một cơ quan bị mọi người khinh miệt được gọi là Ferme Générale (hay còn gọi là General Farm), cơ quan này thu thuế và lệ phí nhân danh chính phủ. Dù Lavoisier là một người hòa nhã và công bằng, cơ quan mà ông làm việc lại không thế. Là vì, nó thu thuế không chỉ người giàu mà cả người nghèo, và thường thu thuế khá tùy tiện, về phần Lavoisier, sự hấp dẫn của cơ quan này là nó cung cấp cho ông vật chất để theo đuổi niềm đam mê khoa học của mình. Ở thời điểm thịnh vượng, ông có thể kiếm được 150.000 livrơ một năm – tương đương 20 triệu đô-la của ngày nay.
Ba năm sau khi tham gia công việc này, ông kết hôn với cô con gái mười bốn tuổi của một trong những ông chủ của mình. Cuộc hôn nhân này là sự kết hợp của cả con tim và tâm hồn. Bà Lavoisier có sự thông minh sâu sắc và chẳng bao lâu sau bà có thể làm việc hiệu quả bên chồng. Dù đời sống bận rộn, họ vẫn sắp xếp để có được năm tiếng đồng hồ cho khoa học mỗi ngày – hai tiếng vào buổi sáng và ba tiếng vào buổi tối – kể cả toàn ngày Chủ nhật, đây là ngày họ gọi là jour de bonheur (ngày hạnh phúc) của mình. Đồng thời Lavoisier cũng tìm được thời gian để làm ủy viên hội đồng kiểm soát thuốc súng, giám sát việc xây dựng bức tường vây quanh Paris để ngăn những kẻ buôn lậu, giúp thành lập hệ đo lường mét, và là đồng tác giả của cuốn Méthode de Nomenclature Chimique, đây là cuốn sách cơ sở để xác định tên của các nguyên tố hóa học.
Là một thành viên hàng đầu của Hội khoa học Académie Royale des Sciences, ông cũng được yêu cầu quan tâm đến tất cả những lĩnh vực quan trọng – thuật thôi miên, cải cách nhà tù, sự hô hấp của côn trùng, nguồn nước cho Paris. Chính vì khả năng đó vào năm 1780 mà Lavoisier có thể thực hiện vài lời phê bình tùy tiện về một học thuyết mới về sự cháy được đề xuất đến Hội khoa học bởi một nhà khoa học trẻ đầy triển vọng. Thực ra học thuyết này sai lạc, nhưng nhà khoa học trẻ này không bao giờ tha thứ cho Lavoisier. Tên của nhà khoa học trẻ này là Jean-Paul Marat.
Điều mà Lavoisier không bao giờ làm là việc khám phá ra các nguyên tố. Tại thời điểm mà dường như bất kỳ ai có được một chiếc cốc bêse (loại cốc dùng trong phòng thí nghiệm), một ngọn lửa, và một vài thứ bột nào đó cũng có thể khám phá được một điều gì đó mới mẻ – và khi hai phần ba các nguyên tố đã được khám phá – Lavoisier vẫn không khám phá được bất kỳ nguyên tố nào. Trong khi đó ông sở hữu đến mười ba ngàn chiếc cốc bêse – một con số gần như lố bịch – trong phòng thí nghiệm riêng của mình.
Thay vì vậy, ông nghiên cứu về những khám phá của người khác. Ông phủ nhận các loại khí cháy. Ông xác định tính chất của oxy và hydro và trao cho chúng những cái tên hiện đại. Tóm lại, ông giúp đem lại sự mạch lạc, rõ ràng, và trật tự cho hóa học.
Suốt nhiều năm, ông và bà Lavoisier luôn bận rộn với việc nghiên cứu tỉ mỉ để tìm ra các số đo chính xác nhất. Ví dụ, họ xác định được rằng một vật bị gỉ sét không hề giảm trọng lượng mà lại tăng trọng lượng – đây là một khám phá quan trọng. Vì một lý do nào đó, khi nó gỉ sét thì nó hấp thụ các phần tử cơ bản từ không khí. Đó là sự hiểu biết đầu tiên rằng vật chất có thể bị biến đổi như không thể bị loại trừ. Nếu bạn đốt cháy một cuốn sách, vật chất của nó có thể bị biến đổi thành tro và khói, nhưng tổng trọng lượng của nó trong không gian vẫn không thay đổi. Đây được gọi là định luật bảo toàn trọng lượng, và nó là một khái niệm có khả năng tạo ra một cuộc cách mạng. Thật đáng tiếc, nó xuất hiện đồng thời với một cuộc cách mạng khác – cuộc cách mạng Pháp – và vì điều này mà Lavoisier rơi vào bế tắc hoàn toàn.
Ông không những là thành viên của cơ quan Ferme Générale vốn luôn chịu sự căm ghét của mọi người, mà ông còn là người hăng hái xây dựng bức tường bao quanh Paris – một dinh thự đáng ghét đến mức nó trở thành điểm tấn công đầu tiên của các công dân nổi loạn. Lợi dụng tình huống này, năm 1791 Marat, lúc này là người lãnh đạo hội National Assembly, cáo buộc Lavoisier và đề nghị treo cổ ông. Chẳng bao lâu sau đó Ferme Générale bị sụp đổ. Ít lâu sau sự kiện này Marat bị ám sát trong bể bơi bởi một phụ nữ trẻ nọ tên là Charlotte Corday, nhưng lúc này đã quá muộn cho Lavoisier.
Năm 1793, triều đại Terror, vốn dĩ rất hà khắc, phát triển sang một giai đoạn mới. Vào tháng Mười, Marie Antoinette bị xử chém đầu. Ngay tháng sau, khi Lavoisier và vợ đang khẩn trương tìm cách trốn chạy đến Scotland thì ông bị bắt. Vào tháng Năm, ông và ba mươi mốt đồng nghiệp bị kết án trước tòa án Revolutionary Tribunal (trong phòng xử án có tượng đài của Marat). Tám người được tha bổng, nhưng Lavoisier và những người còn lại bị đưa đến Place de la Revolution (ngày nay là Place de la Concorde), một khu vực tập hợp các máy chém của Pháp. Lavoisier tận mắt trông thấy cha vợ bị chém đầu, sau đó ông bước lên và chấp nhận số phận của mình. Gần ba tháng sau, ngày 27 tháng Bảy, Robespierre bị kết liễu theo cùng một cách như thế và tại cùng một nơi, và triều đại Terror lập tức sụp đổ.
Một trăm năm sau khi Lavoisier qua đời, tượng đài của ông được dựng lên giữa Paris và được mọi người nhiệt liệt hoan nghênh mãi đến khi có một người nào đó khẳng định rằng nó trông chẳng giống ông chút nào. Khi được thẩm vấn, người thợ điêu khắc thú nhận rằng ông đã dùng chiếc đầu của nhà toán học kiêm triết học Marquis de Condorcet – khi ấy ông đang thừa một chiếc – với hy vọng rằng không ai nhận ra hoặc nếu có nhận ra thì cũng chẳng bận tâm. Có lẽ ông đã đúng với vế sau. Tượng đài nửa-Lavoisier-nửa-Condorcet vẫn được phép tồn tại suốt nửa thế kỷ mãi đến khi Đệ nhị thế chiến diễn ra thì, một sáng nọ, nó bị phá hủy để làm chiến hào.
Đầu những năm 1800 ở Anh quốc xuất hiện trào lưu hít nitrous oxide (một loại khí gây mê thuộc kali nitrat), sau khi người ta khám phá rằng nó có thể “tạo cảm giác hứng thú cao độ”. Suốt nửa thế kỷ sau đó nó được chọn là loại ma túy của giới trẻ.
Mãi đến năm 1846 vẫn không ai tìm được ứng dụng thực tiễn của nitrous oxide, trong vai trò là thuốc gây mê. Có trời mới biết được rằng có bao nhiêu chục nghìn người đã phải chịu đau đớn không cần thiết từ dao mổ vì trước đó không ai nghĩ đến ứng dụng thực tiễn của chất này.
Tôi nhắc đến điều này để chỉ ra rằng hóa học, đã bước một chặng đường dài suốt thế kỷ mười tám, đã đánh mất ý nghĩa của nó trong những thập niên đầu thế kỷ mười chín, giống như tình trạng của địa chất học vào những năm đầu thế kỷ hai mươi. Sở dĩ như thế một phần là do sự hạn hẹp của trang thiết bị – ví dụ, chúng ta không có máy ly tâm mãi đến nửa sau thế kỷ mười chín, điều này tạo ra sự hạn chế đối với các thử nghiệm – và một phần do vấn đề xã hội. Nhìn chung, khi ấy hóa học là một môn khoa học dành cho các thương gia, dành cho những người làm việc với than đá, bồ tạt (kali cacbonat), và thuốc nhuộm, chứ không phải dành cho những người cao sang quyền quý, những người cao sang thường quan tâm đến địa chất học, lịch sử tự nhiên, và vật lý học. (Điều này ít đúng hơn tại châu Âu so với tại Anh quốc, nhưng chỉ hơi khác biệt đôi chút). Có lẽ chúng ta có thể nói rằng một trong những thành tựu quan trọng nhất ở thế kỷ này, chuyển động Brownian (khám phá này xác lập bản chất hoạt động của các phân tử) đã được khám phá không phải bởi một nhà hóa học mà bởi một nhà thực vật học người Scotland, Robert Brown. (Năm 1827, Brown xác định rằng các hạt phấn hoa cực nhỏ tồn tại lơ lửng trong nước vẫn không ngừng chuyển động bất luận ông để chúng lắng đọng bao lâu. Nguyên nhân của sự chuyển động không ngừng này – được gọi là sự chuyển động của các phân tử có thể nhìn thấy được – là một câu chuyện dài).
Mọi việc có thể đã trở nên tồi tệ hơn nếu không có sự xuất hiện của một nhân vật tên là Count von Rumford, ông, dù sống đời sống vương giả, được sinh ở Woburn, Massachusetts, năm 1753, với tên gọi giản dị là Benjamin Thompson. Thompson là người sôi nổi và có hoài bão, “đẹp người tốt nết”, đôi khi tỏ ra khá dũng cảm và thông minh vượt trội. Khi mười chín tuổi ông kết hôn với một quả phụ giàu có lớn hơn ông mười bốn tuổi, nhưng khi cuộc cách mạng bùng nổ ở các thuộc địa ông luôn ở sát cánh với những bầy tôi trung thành, thực ra họ là gián điệp. Vào năm 1776 định mệnh, đối mặt với nguy cơ bị bắt giữ “vì thiếu nhiệt tình ủng hộ quyền tự do”, ông rời bỏ vợ con và lẩn trốn trước khi đám đông những người chống Hoàng gia trang bị các thùng hắc ín nóng và tên bắn tấn công.
Đầu tiên ông trốn chạy đến Anh quốc và sau đó đến Đức, tại đây ông đóng vai trò là cố vấn quân sự cho chính quyền Bavaria, uy tín của ông được củng cố và đến năm 1791 ông được mệnh danh là Count von Rumford của Đế chế Holy Roman. Trong khi ở Munich, ông cũng thiết kế và thành lập công viên nổi tiếng được gọi là English Garden.
Giữa những biến cố này, ông vẫn tìm được thời gian để tiến hành nhiều thử nghiệm khoa học. Ông trở thành người tiên phong trong lĩnh vực nhiệt động lực học và là người đầu tiên giải thích sáng tỏ những nguyên tắc của sự đối lưu của chất lỏng và sự tuần hoàn của hải lưu. Ông cũng phát minh nhiều thiết bị hữu ích, gồm có dụng cụ lọc cà phê, trang phục lót giữ ấm, và lò sưởi Rumford. Năm 1805, suốt khoảng thời gian lưu trú tại Pháp, ông theo đuổi và kết hôn với bà Lavoisier, góa phụ của Antoine-Laurent. Cuộc hôn nhân này không thành công và họ nhanh chóng chia tay. Rumford tiếp tục ở Pháp và qua đời ở đó vào năm 1814, nhận được sự quý mến của mọi người ngoại trừ những người vợ trước của mình.
Nhưng điều tôi muốn đề cập đến ở đây là vào năm 1799, suốt khoảng thời gian xảy ra nhiều biến cố ở London, ông đã thành lập Học viện Royal Institution, đây là một trong những tổ chức khuyến học tồn tại ở Anh quốc vào cuối thế kỷ mười tám và đầu thế kỷ mười chín. Ở thời điểm này nó là tổ chức duy nhất khuyến khích sự phát triển của môn hóa học vốn còn non trẻ, việc này là nhờ bởi nhà khoa học trẻ Humphry Davy, ông được chỉ định làm Giáo sư hóa học của Học viện này ngay sau khi nó được thành lập và ông nhanh chóng nổi tiếng là một giảng viên xuất sắc và là nhà triết học thực nghiệm tài ba.
Ngay sau khi đảm nhận vị trí này, Davy bắt đầu khám phá hết nguyên tố mới này đến nguyên tố mới khác – kali, natri, magie, canxi, stronti, và nhôm {aluminum hay còn gọi là aluminium, tùy thuộc vào hệ tiếng Anh bạn sử dụng [1]}. Sở dĩ ông khám phá được nhiều nguyên tố mới như thế là vì ông phát minh được một kỹ thuật tài tình ứng dụng điện vào việc nung chảy vật chất – sự điện phân. Tổng cộng ông đã khám phá được hàng chục nguyên tố, một phần năm tổng số nguyên tố vào thời của ông. Lẽ ra Davy có thể phát triển xa hơn, nhưng đáng tiếc là khi còn trẻ ông đã có một đam mê nông nổi trong việc lạm dụng nitrous oxide (một loại khí gây tê). Ông nghiện khí này đến mức một ngày ông phải hít nó ba đến bốn lần. Cuối cùng, năm 1829, người ta cho rằng chính khí này đã giết chết ông.
Rất may là ở nơi khác còn có nhiều công trình nghiêm túc được tiến hành. Năm 1808, một tín đồ phái giáo hữu (Quây-cơ) nghiêm khắc tên là John Dalton trở thành người đầu tiên khám phá bản chất của một nguyên tử (quá trình này sẽ được thảo luận chi tiết ở các chương sau), và vào năm 1811 một người Ý với một cái tên rất hoa mỹ là Lorenzo Romano Amadeo Carlo Avogadro, Bá tước vùng Quarequa và Cerreto, thực hiện một khám phá có ý nghĩa quan trọng về lâu về dài – ông khám phá ra rằng, hai khối lượng bằng nhau của bất kỳ loại khí nào, nếu được giữ ở cùng nhiệt độ và cùng áp suất, sẽ chứa cùng số phân tử như nhau.
Có hai điều đáng chú ý trong nguyên tắc này của Avogadro, theo chúng ta biết. Thứ nhất, nó giúp chúng ta có cơ sở để đo lường chính xác kích cỡ và trọng lượng của các nguyên tử. Vận dụng toán học Avogadro, cuối cùng các nhà hóa học đã có thể xác định, ví dụ, được rằng một nguyên tử điển hình có đường kính 0,00000008 centimet, đây là một kích cỡ cực nhỏ. Và thứ hai, gần như không ai biết được nguyên tắc đơn giản lý thú này của Avogadro trong suốt năm mươi năm sau đó. [2]
Sở dĩ như thế một phần là do Avogadro vốn là người ít gần gũi – ông làm việc một mình, hiếm khi tiếp xúc với đồng nghiệp, phát hành vài tài liệu, và không hề tham gia bất kỳ cuộc hội họp nào – nhưng cũng do bởi khi ấy không có cuộc hội họp nào và cũng chỉ có vài tập san nói về hóa học. Đây là điều khá kỳ lạ. Cuộc Cách mạng Công nghiệp xuất hiện phần lớn là do sự phát triển của hóa học, tuy thế suốt nhiều thập niên không một tổ chức hóa học chính thức nào tồn tại.
Hội Hóa học ở London không được thành lập mãi đến năm 1841 và vẫn không xuất bản bất kỳ tập san đều đặn nào mãi đến năm 1848, đến thời điểm này thì hầu hết các Hội nghiên cứu ở Anh quốc – Địa chất học, Địa lý học, Động vật học, Hội các nhà tự nhiên và thực vật học – đã xuất hiện trước đó ít nhất hai mươi năm. Học viện Hóa học vẫn không xuất hiện mãi đến năm 1877, một năm sau khi thành lập Hội Hóa học Hoa Kỳ. Vì hóa học phát triển khá chậm, tin tức về những khám phá quan trọng của Avogadro năm 1811 vẫn chưa được phổ biến mãi đến Đại hội Hóa học quốc tế được tổ chức ở Karlsruhe vào năm 1860.
Vì hóa học phát triển rời rạc, nên những quy ước chung cũng chậm phát triển. Mãi đến nửa sau thế kỷ mười chín, công thức H2O2 vẫn có nghĩa là nước đối với nhà hóa học này nhưng lại có nghĩa là hydro peroxyt (thuốc sát trùng) đối với một nhà hóa học khác. C2H4 có thể được xem là etylen hoặc mêtan. Khi ấy chưa có bất kỳ một phân tử nào được trình bày thống nhất ở mọi nơi.
Các nhà hóa học cũng dùng nhiều biểu tượng, ký hiệu, và chữ viết tắt khiến người đọc bối rối, thường tự mình phát minh ra. J. J. Berzelius của Thụy Điển đã tạo ra một hệ đo lường thực tiễn bằng cách mặc định rằng các nguyên tố cần được viết tắt theo từ gốc Hy Lạp hoặc La Tinh của chúng, đây là lý do tại sao sắt lại được viết tắt là Fe (từ tiếng La Tinh ferrum) và bạc là Ag (từ tiếng La Tinh argentum). Nhiều chữ viết tắt khác theo tên tiếng Anh của chúng (N cho nitơ, O cho oxy, H cho hydro, và vân vân) cũng phản ảnh được gốc tiếng La Tinh trong tiếng Anh. Để biểu thị cho số nguyên tử trong một phân tử, Berzelius dùng ký hiệu viết bên trên, chẳng hạn H2O. Về sau, chẳng vì lý do gì cả, người ta có xu hướng viết con số này thấp xuống dưới: H2O.
Dù đã được sắp xếp theo trật tự, hóa học vào nửa cuối thế kỷ mười chín vẫn còn là một mớ hỗn độn, đây là lý do tại sao mọi người cảm thấy hài lòng với sự xuất hiện nổi bật vào năm 1869 của một Giáo sư lập dị với vẻ ngoài kỳ quặc tại Đại học St. Petersburg tên là Dmitri Ivanovich Mendeleyev.
Mendeleyev (đôi khi cũng được viết là Mendeleev hoặc Mendeléef) sinh năm 1834 tại Tobolsk, viễn Tây Siberia, trong một gia đình giàu có đông con và có học – thực ra thì lịch sử vẫn không xác định được gia đình này có bao nhiêu thành viên: một số nguồn nói rằng gia đình này có mười bốn người con, một số khác lại nói rằng mười bảy. Dù sao thì tất cả đều đồng ý rằng Dmitri là con út trong gia đình. Vận may không phải lúc nào cũng mỉm cười với gia đình Mendeleyev. Khi Dmitri còn bé, cha ông, hiệu trưởng của một trường học địa phương, bị mù và mẹ ông phải ra ngoài làm việc. Rõ ràng bà là một phụ nữ phi thường, cuối cùng bà trở thành giám đốc của một nhà máy chế biến thủy tinh thành công. Mọi việc diễn ra tốt đẹp mãi đến năm 1848, khi nhà máy gặp hỏa hoạn và gia đình Mendeleyev phải sống cơ cực. Quyết tâm cho đứa con út được học hành tốt, Bà Mendeleyev bất khuất dắt theo Dmitri đi nhờ xe suốt chặng đường bốn nghìn dặm đến St. Petersburg – đó là chặng đường tương đương với chặng đường từ London đến Equatorial Guinea – và gửi ông theo học tại Học viện Pedagogy. Vì quá mệt mỏi, chẳng bao lâu sau bà qua đời.
Mendeleyev học hành nghiêm túc để hoàn tất khóa học và cuối cùng tìm được một vị trí tại trường Đại học địa phương, ở đó ông là người rất thạo việc nhưng vẫn chưa phải là một nhà hóa học nổi bật, người ta nhớ đến ông qua mái tóc dài và bộ râu rậm (ông chỉ cắt tóc và cạo râu một lần mỗi năm) hơn là qua tài năng của ông tại phòng thí nghiệm.
Tuy nhiên, năm 1869, ở độ tuổi ba mươi lăm, ông bắt đầu chơi đùa với việc sắp xếp các nguyên tố. Vào thời điểm này, các nguyên tố thường được phân nhóm theo hai cách – hoặc qua trọng lượng nguyên tử của chúng (vận dụng nguyên tắc của Avogadro) hoặc qua đặc điểm chung của chúng (ví dụ hoặc chúng là kim loại, hoặc chúng là khí). Bước đột phá của Mendeleyev là ông có thể nhận ra được rằng hai cách này có thể kết hợp cùng nhau trong một bảng duy nhất.
Điều này thường xảy ra trong khoa học, thực ra thì nguyên tắc này đã được tiên đoán trước đó ba năm bởi một nhà hóa học không chuyên ở Anh quốc tên là John Mewlands. Ông đề xuất rằng khi các yếu tố được sắp xếp theo trọng lượng thì chúng dường như lặp lại một số đặc tính nào đó – để hài hòa với nhau – tại tám điểm dọc theo bảng sắp xếp này. Newland gọi đây là Quy tắc Octaves và ví sự sắp xếp này với nhóm tám phím trên bàn phím đàn piano. Có lẽ đã có một điều gì đó rất ý nghĩa trong cách trình bày của Newlands, nhưng về cơ bản thì ý tưởng này được xem là ngớ ngẩn và bị mọi người coi thường. Khi hội họp, các khán giả khôi hài đôi khi hỏi ông rằng ông có thể lấy các nguyên tố ra để chơi thành một giai điệu được không. Vì nản lòng, Newlands từ bỏ ý tưởng này và sau đó hoàn toàn biến mất.
Mendeleyev vận dụng cách tiếp cận hơi khác, ông đặt các nguyên tố theo nhóm bảy, nhưng về cơ bản thì ông đã vận dụng cùng một nguyên tắc như thế. Đột nhiên ý tưởng này xuất hiện vô cùng sâu sắc. Vì các đặc điểm của các nguyên tố tự lặp lại theo định kỳ, nên phát minh này được gọi là bảng tuần hoàn.
Người ta cho rằng Mendeleyev đã được truyền cảm hứng từ cách chơi bài được gọi là paxiên ở Bắc Mỹ, trong loại bài này các quân bài được xếp theo trật tự các hoa hàng ngang và con số hàng dọc. Vận dụng khái niệm tương tự, ông sắp xếp các nguyên tố theo hàng ngang được gọi là các chu kỳ và theo hàng dọc được gọi là các nhóm. Điều này lập tức thể hiện các mối quan hệ giữa chúng khi chúng ta đọc theo hàng ngang và hàng dọc. Đặc biệt, các cột dọc là tập hợp các nguyên tố có các đặc tính giống nhau. Theo cách đó, đồng được đặt bên trên bạc và bạc được đặt bên trên vàng vì đặc tính chung của chúng là kim loại, trong khi heli, neon, và agon lại nằm chung một cột với đặc tính chung là chất khí. (Yếu tố quyết định thực sự trong trật tự này là hóa trị của chúng, nếu bạn muốn tìm hiểu chi tiết thì bạn phải tham gia một lớp học chính thức về hóa học). Các hàng ngang, nhìn chung, là các nguyên tố được sắp xếp theo thứ tự số proton có trong nhân của chúng tăng dần – đây được gọi là số nguyên tử.
Cấu trúc nguyên tử và ý nghĩa của hạt proton sẽ được trình bày ở chương sau, thế nên lúc này chúng ta chỉ quan tâm đến nguyên tắc sắp xếp: hydro chỉ có một proton, thế nên nó có số nguyên tử là một và xuất hiện trước tiên trong bảng; urani có chín mươi hai proton, thế nên nó được xếp gần cuối và có số nguyên tử là chín mươi hai. Về khía cạnh này, theo lời Philip Ball, hóa học thực ra chỉ là một môn học về việc tính toán. (Tiện đây xin nói rõ, chúng ta không nên nhầm lẫn giữa số nguyên tử với trọng lượng nguyên tử, số nguyên tử là số proton cộng với số nơtron của một nguyên tố). Vẫn còn nhiều điều chúng ta chưa biết hoặc chưa hiểu. Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, tuy thế không ai khám phá được nó suốt ba mươi năm sau. Heli, nguyên tố nhiều thứ hai trong vũ trụ, mới được khám phá trước đó một năm, không phải trên trái đất mà là trên mặt trời, nó được tìm thấy ở đó qua một chiếc kính quang phổ suốt khoảng thời gian nhật thực diễn ra, đây là lý do tại sao tên của nó thể hiện sự kính trọng dành cho thần Mặt trời của Hy Lạp là Helios. Người ta vẫn không phân lập được nó mãi đến năm 1895. Khi đó, nhờ bởi phát minh của Mendeleyev, hóa học đã có một chỗ đứng vững chắc.
Đối với hầu hết chúng ta, bảng tuần hoàn là thứ đẹp đẽ trong ý niệm trừu tượng, nhưng đối với các nhà hóa học thì nó đã giúp thiết lập trật tự và sự rõ ràng cơ bản cho hóa học. “Chẳng còn gì để nghi ngờ, Bảng Tuần Hoàn các chất Hóa học là biểu đồ thanh nhã nhất mà con người đã từng nghĩ ra”, Robert E. Krebs đã viết trong cuốn The History and Use of Our Earth’s Chemical Elements, và bạn có thể tìm thấy những tình cảm như thế trong hầu hết các sách hóa học.
Ngày nay chúng ta có “khoảng chừng 120” nguyên tố khác nhau – chín mươi hai nguyên tố xuất hiện trong tự nhiên cộng với vài chục nguyên tố được tạo ra trong phòng thí nghiệm. Con số thực sự thường gây tranh cãi vì các nguyên tố tổng hợp nặng chỉ tồn tại trong một phần triệu giây, và các nhà hóa học đôi khi tranh luận về việc liệu chúng có thực sự tồn tại hay không. Vào thời của Mendeleyev người ta chỉ biết đến sáu mươi ba nguyên tố, một phần trong sự thông thái của Mendeleyev là ông đã nhận ra được rằng các nguyên tố được tìm ra khi ấy không thể tạo thành một bức tranh đầy đủ, rằng nhiều mảnh của bức tranh đang bị thiếu khuyết. Bảng tuần hoàn của ông đã tiên đoán, với sự chính xác cao, được những nơi các nguyên tố mới sẽ chèn vào khi chúng được tìm thấy.
Tiện đây xin nói thêm, cho đến nay không ai có thể biết được rằng con số nguyên tố tối đa là bao nhiêu, mặc dù bất kỳ nguyên tố nào có trọng lượng nguyên tử vượt quá 168 cũng được xem là “hoàn toàn do trí tưởng tượng”, nhưng những gì chúng ta có thể chắc chắn là: bất kỳ nguyên tố nào được khám phá cũng sẽ được lắp đặt vừa vặn vào bảng tuần hoàn của Mendeleyev.
Thế kỷ mười chín cũng xuất hiện một hiện tượng gây ngạc nhiên cho các nhà hóa học. Hiện tượng này xuất hiện năm 1896 khi Henri Becquerel ở Paris sơ ý đặt một gói muối urani lên trên bản phim đã được bao bọc trong ngăn kéo. Sau đó khi ông lấy bản phim ra, ông ngạc nhiên khi nhận thấy rằng muối urani đã đốt cháy và để lại một vết hằn trên bản phim, cứ như thể bản phim đã bị phơi ra ngoài ánh sáng. Muối urani đã phát ra một loại tia nào đó.
Nghĩ đến ý nghĩa của những gì ông đã khám phá, Becquerel đã thực hiện một việc rất lạ: ông giao vấn đề này cho một sinh viên tốt nghiệp tìm hiểu. May mắn thay người sinh viên này là người mới nhập cư từ Ba Lan tên là Marie Curie. Khi làm việc với chồng mình, Pierre, Curie nhận thấy rằng một số loại đá liên tục tỏa ra nhiều năng lượng và không hề thay đổi cường độ. Những gì cô và chồng mình không thể biết – những gì không ai có thể biết mãi đến khi Einstein giải thích vào thập niên sau – là: các loại đá này không ngừng tự chuyển đổi khối lượng thành năng lượng theo một cách thức vô cùng mạnh mẽ. Marie Curie đặt tên cho hiện tượng này là hiệu ứng “phóng xạ”. Trong quá trình làm việc, hai vợ chồng Curie cũng khám phá được hai nguyên tố mới – poloni và radi. Năm 1903, gia đình Curie và Becquerel đồng nhận giải Nobel Vật lý. (Marie Curie nhận thêm một giải Nobel khác về môn Hóa học vào năm 1911, cô là người duy nhất nhận được cả giải Nobel Vật lý lẫn Hóa học).
Tại Đại học McGill ở Montreal, chàng trai trẻ xuất thân từ New Zealand tên là Ernest Rutherford tỏ ra rất hứng thú với các chất phóng xạ mới. Cùng với một đồng nghiệp tên là Frederick Soddy, ông đã khám phá được rằng một số năng lượng khổng lồ tiềm ẩn trong một lượng nhỏ các chất này, và rằng sự phân rã phóng xạ của các chất này chính là nguyên nhân tạo ra hơi ấm của trái đất. Họ cũng khám phá được rằng các nguyên tố phóng xạ phân rã thành nhiều nguyên tố khác – rằng, ví dụ, hôm nay bạn có một nguyên tử urani và hôm sau bạn lại có một nguyên tử chì. Điều này thực sự phi thường. Đó là thuật giả kim, thuần túy và đơn giản; trước đó không ai có thể hình dung được rằng một việc như thế lại có thể xảy ra một cách tự nhiên như thế.
Vốn là người thực tế, Rutherford là người đầu tiên nhận thấy rằng họ có thể ứng dụng khám phá này vào thực tiễn. Ông nhận thấy rằng trong bất kỳ mẫu chất phóng xạ nào, thời lượng để nửa đầu của quá trình phân rã diễn ra luôn không đổi, và rằng tốc độ phân rã không đổi này có thể được ứng dụng trong vai trò là một loại đồng hồ. Qua việc tính toán lùi và xác định tốc độ phân rã, bạn có thể tìm ra được tuổi của nó. Ông kiểm tra một mẫu uranit (quặng mỏ đen bóng, gốc chính của uranium), và khám phá rằng nó có độ tuổi là 700 triệu năm – cổ hơn rất nhiều so với độ tuổi mà người ta định gán cho trái đất.
Mùa Xuân năm 1904, Rutherford đến London để thuyết trình tại Học viện Hoàng gia – tổ chức uy nghiêm được thành lập bởi Bá tước von Rumford 105 năm trước. Rutherford ở đó để nói về học thuyết phóng xạ phân rã mới, đây là một phần khám phá mà ông tìm được từ uranit. Rutherford trình bày khám phá của mình với thái độ lịch thiệp – vì Kelvin cũng đang có mặt tại khán phòng – Rutherford biết rằng trước đó chính Kelvin cũng đã đề xuất rằng sự khám phá về những nguồn nhiệt khác có thể phủ nhận những tính toán của mình. Nhờ bởi năng lực phóng xạ, trái đất có thể – rõ ràng – già hơn nhiều so với hai mươi bốn triệu năm theo như những tính toán của Kelvin.
Kelvin tươi cười trước sự trình bày với thái độ tôn trọng của Rutherford, nhưng thực ra ông vẫn không chấp nhận khám phá này. Ông không bao giờ chấp nhận những con số của Rutherford và mãi đến khi qua đời ông vẫn tin rằng những tính toán của mình về độ tuổi của trái đất vẫn là đóng góp sắc sảo và quan trọng đối với nền khoa học – hơn cả những đóng góp của ông trong lĩnh vực nhiệt động lực học.
Với các cuộc cách mạng trong khoa học, những khám phá mới của Rutherford vẫn không được hoàn toàn chấp nhận. Vào những năm 1930 John Joly của Dublin vẫn khăng khăng rằng độ tuổi của trái đất không vượt quá con số tám mươi chín triệu năm, và ông giữ quan điểm này của mình mãi đến khi qua đời. Những người khác bắt đầu e rằng Lutherford đã cho họ quá nhiều thời gian. Nhưng ngay cả với việc tính toán thời gian đặt trên cơ sở là sự phóng xạ, chúng ta cũng phải tốn vài chục năm để có thể xác định được một triệu năm tuổi của trái đất. Khoa học vẫn đi đúng hướng, nhưng chẳng đi đến đâu cả.
Kelvin qua đời năm 1907. Cũng trong năm đó Dmitri Mendeleyev qua đời. Giống như Kelvin, công việc của ông đòi hỏi một lượng thời gian dài hơn nhiều so với thời gian còn lại trong đời ông. Khi về già, Mendeleyev, càng thêm lập dị – ông phản đối sự tồn tại của sự bức xạ hay electron hay bất cứ thứ gì mới mẻ – và rất khó tính. Vào những năm cuối đời ông chỉ quanh quẩn ở các phòng thí nghiệm và các hội trường tại châu Âu. Vào năm 1955, nguyên tố thứ 101 được đặt tên là mendelevium để tỏ lòng tôn kính dành cho ông. “Rất thích hợp”, Paul Strathern nói, “nó là một nguyên tố dễ thay đổi”.
Sự bức xạ, dĩ nhiên, vẫn liên tục diễn ra, theo cách mà không ai mong đợi. Đầu những năm 1900 Pierre Curie bắt đầu mắc phải các dấu hiệu rõ ràng của chứng bệnh do bức xạ gây ra – các cơn đau xuất hiện dai dẳng trong xương tủy và cảm giác khó chịu kinh niên – rõ ràng các triệu chứng này đã phát triển đến mức đáng ngại. Chúng ta sẽ chẳng bao giờ biết được chính xác vì vào năm 1906 ông qua đời bởi một tai nạn giao thông trong khi đang băng qua một con phố ở Paris.
Marie Curie (vợ của Pierre Curie) dành những năm còn lại trong đời để tìm hiểu về lĩnh vực này, giúp thành lập Học viện Radium lừng danh của Đại học Paris vào năm 1914. Dù nhận được hai giải Nobel, bà vẫn không được bầu chọn là một thành viên của viện Hàn lâm Khoa học, chủ yếu vì sau cái chết của Pierre bà nảy sinh tình cảm với một nhà vật lý học đã có gia đình khiến người Pháp cảm thấy bị xúc phạm – hoặc ít ra cũng là sự xúc phạm đối với người quản lý viện Hàn lâm, đây lại là một vấn đề khác.
Suốt một khoảng thời gian dài người ta vẫn tin rằng bất kỳ thứ gì có năng lực phóng xạ đều là thứ có ích. Suốt nhiều năm trời, các nhà sản xuất kem đánh răng và thuốc nhuận tràng đã cho thêm chất thori phóng xạ vào sản phẩm của họ, và ít nhất mãi đến cuối những năm 1920 khách sạn Glen Springs ở Finger Lakes thuộc New York (và rõ ràng là cả những khách sạn khác) vẫn tự hào về hiệu ứng chữa bệnh bằng “suối khoáng chất phóng xạ” của mình. Chất phóng xạ vẫn không bị cấm trong quá trình sản xuất mãi đến năm 1938. Lúc này đã quá muộn đối với Bà Curie, qua đời do bệnh bạch cầu vào năm 1934. Thực ra, chất phóng xạ rất độc hại và tồn tại lâu dài đến mức ngày nay những tài liệu của bà từ những năm 1890 – thậm chí cả những cuốn sách dạy nấu ăn của bà – là thứ nguy hiểm khi chạm vào. Các tài liệu của bà được giữ trong những hộp kín, và người nào muốn xem chúng đều phải mặc trang phục bảo hộ hợp lý.
Nhờ bởi những công việc tận tụy và nguy hiểm (dù không ý thức được) của các nhà khoa học nguyên tử, vào những năm đầu thế kỷ hai mươi người ta đã biết được rõ rằng trái đất rất cổ xưa, dù mãi năm mươi năm sau người ta mới xác định được cụ thể nó cổ xưa đến mức nào. Nhìn chung, khoa học đã sẵn sàng cho một thời đại mới – thời đại nguyên tử.
___________
[1] Sự lẫn lộn giữa aluminum/aluminium xuất nguồn từ sự do dự của Davy. Khi lần đầu tiên ông khám phá nguyên tố này vào năm 1808, ông gọi nó là alumium. Vì một vài lý do nào đó, bốn năm sau ông nghĩ rằng nên gọi nó là aluminum. Người Mỹ rất nghiêm túc trong việc đón nhận những từ ngữ mới, nhưng nhiều người Anh không thích aluminum, họ nói rằng nó phá vỡ cấu trúc -ium trong các từ sodium, calcium, và strontium, vì vậy họ thêm vào một nguyên âm và một âm tiết thành ra là aluminium.
[2] Nguyên tắc này dẫn đến sự chấp nhận con số Avogadro, một đơn vị đo lường cơ bản trong hóa học, được đặt tên theo Avogadro sau khi ông qua đời một khoảng thời gian dài. Đó là con số phân tử được tìm thấy trong 2,016 gam khí hydro (hoặc một lượng tương đương của bất kỳ khí nào khác). Giá trị của nó là 6,0221367 x 1023, một con số vô cùng lớn. Các sinh viên hóa học thường giải trí bằng cách tính toán xem con số này lớn đến mức nào, thế nên tôi có thể nói rằng nó tương đương với số hạt bắp cần có để bao phủ toàn bộ diện tích của Hoa Kỳ với độ dày chín dặm, hoặc số tách nước của Thái Bình Dương, hoặc số lon nước uống đủ để bao phủ bề mặt trái đất với dộ dày 200 dặm. Nó là một con số cực lớn.