tìm hiểu lịch sử xây dựng bảng hệ thống tuần hoàn mendeleev

Sự phân loại các nguyên tố hóa học dựa vào định luật tuần hoàn mà Mendeleev đã thể hiện dưới dạng hệ thống tuần hoàn, đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu tính chất của các nguy

KHOA SƯ PHẠM

BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ

TÌM HIỂU LỊCH SỬ XÂY DỰNG BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN MENDELEEV

Luận văn tốt nghiệp Ngành : SƯ PHẠM VẬT LÝ – TIN HỌC

Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:

Mã số SV: 1110252 Lớp: SP Vật lý – Tin học Khóa: 37

Cần Thơ, năm 2014

Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này,

em đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu quý Thầy, Cô,

các anh chị và các bạn Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc em

xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới:

Thạc sĩ – Giảng viên chính Hoàng Xuân Dinh người thầy

kính mến đã hết lòng giúp đỡ, dạy bảo, động viên và tạo mọi điều

kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành

luận văn tốt nghiệp

Em cũng xin gửi đến quý Thầy, Cô trong Bộ môn Vật lý nói

riêng và trường Đại học Cần Thơ nói chung đã tận tình giảng dạy,

dìu dắt em trong suốt bốn năm học lời biết ơn chân thành nhất

Em cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trong hội

đồng chấm luận văn Cảm ơn thư viện Khoa Sư phạm trường Đại

học Cần Thơ đã cung cấp cho em nhiều tài liệu liên quan đến luận

văn

Mặc dù có nhiều cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn

thiện nhất Song do hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm nên khó

tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được những ý kiến

đóng góp quý báu của quý Thầy Cô và các bạn học

Cuối cùng em kính chúc quý Thầy, Cô dồi dào sức khỏe và

thành công trong sự nghiệp cao quý

Trân trọng kính chào!

Võ Đức Yến Ngọc

Lời Cảm Ơn

GVHD: Ths GVC Hoàng Xuân Dinh SVTH: Võ Đức Yến Ngọc

MỤC LỤC

Phần MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 1

3 Giới hạn của đề tài 1

4 Phương pháp và phương tiện thực hiện 1

5 Các bước thực hiện 2

Phần NỘI DUNG 3

Chương 1: QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG TUẦN HOÀN 3

1.1 Những nguyên tố đầu tiên được khám phá 3

1.2 Những dự kiến hệ thống hóa trước Mendeleev 4

1.2.1 Ý tưởng đầu tiên 4

1.2.2 Quy tắc tam tử 4

1.2.3 Mô hình đinh vít của A Béruyer De Chancuortois 5

1.2.4 Quy tắc bát tử 6

1.2.5 Sự biến đổi tuần hoàn nguyên tử theo khối lượng nguyên tử của Mayer 7

Chương 2: SỰ SÁNG LẬP ĐỊNH LUẬT TUẦN HOÀN 8

2.1 Phương án đầu tiên 8

2.2 Phương án thứ hai Quá trình phát hiện định luật tuần hoàn 10

2.2.1 Quá trình phát hiện định luật tuần hoàn 10

2.2.2 Các tiên đoán của Mendeleev đã được kiểm nghiệm 13

Chương 3: BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN MENDELEEV 15

3.1 Cấu trúc của hệ thống tuần hoàn các nguyên tố 15

3.1.1 Các chu kỳ 15

3.1.2 Nhóm 16

3.1.3 Phân nhóm 16

3.1.4 Số thứ tự nguyên tử các nguyên tố (Ô) 17

3.2.Những quy luật thay đổi tính chất các nguyên tố 17

3.2.1 Quy luật biến thiên tính chất các nguyên tố trong một chu kỳ 17

3.2.2 Quy luật biến thiên tính chất các nguyên tố trong một nhóm 17

Chương 4: QUÁ TRÌNH BỔ SUNG BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN 18

4.1 Đưa nguyên tố khí trơ vào hệ thống tuần hoàn 18

GVHD: Ths GVC Hoàng Xuân Dinh SVTH: Võ Đức Yến Ngọc

4.2 Chế tạo và phát hiện các nguyên tố mới 19

4.2.1 Tecnơxi ( Tc) 19

4.2.2 Prômêti (Pm) 19

4.2.3 Atatin (At) 20

4.2.4 Franxi (Fr) 20

Chương 5: CÁC NGUYÊN TỐ MỚI 21

5.1 Các nguyên tố siêu Urani 21

5.1.1 Neptuni (Np) (1940) 21

5.1.2 Plutoni (Pu) (1940) 22

5.1.3 Amerixi (Am) (1945) và Curi (Cm) (1944) 23

5.1.4 Nguyên tố Beckeli (Bk) (1950) và Califoni (Cf) (1950) 24

5.2 Các nguyên tố phóng xạ nhân tạo 24

5.2.1 Nguyên tố Ensteni (Es) và Fecmi (Fm) 24

5.2.2 Nguyên tố Menđelevi (Md) 25

5.2.3 Nguyên tố 102 (1963 – 1966) 26

5.2.4 Nguyên tố 103 (1961) 27

5.2.5 Nguyên tố Kusatovi (Ku – 1964) 28

5.2.6 Nguyên tố 105 (1970) 28

5.2.7 Nguyên tố 106 (1974) và nguyên tố 107 (1976) 29

5.2.8 Nguyên tố 108 (1984) và nguyên tố 109 (1982) 29

5.3 Các nguyên tố mới được khám phá 30

5.3.1 Nguyên tố hoá học thứ 110 mang tên Darmstattium 30

5.3.2 Nguyên tố hóa học thứ 111 30

5.3.3 Nguyên tố 112 30

5.3.4 Nguyên tố 113 31

5.3.5 Nguyên tố 114 và nguyên tố thứ 116 33

5.3.6 Nguyên tố 115 thực sự tồn tại 34

5.3.7 Nguyên tố 117 34

5.3.8 Nguyên tố thứ 118 – số phận long đong 35

5.3.9 Nguyên tố siêu nặng 119 và nguyên tố 120 36

Chương 6: Ý NGHĨA CỦA BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN MENDELEEV 37

6.1 Vỏ electron 37

GVHD: Ths GVC Hoàng Xuân Dinh SVTH: Võ Đức Yến Ngọc

6.1.1 Mô hình hành tinh nguyên tử 37

6.1.2 “Hàm sóng vật chất” viết cho trạng thái dừng của electron trong nguyên tử 39

6.1.3 Cơ học lượng tử và việc giải các phương về trị riêng của toán 40

6.1.4 Các đại lượng đặc trưng trạng thái electron trong nguyên tử và giá trị các số lượng 41

6.1.5 Nguyên lý Pauli 42

6.1.6 Cấu hình electron trong nguyên tử 43

6.2 Cấu trúc hạt nhân nguyên tử 44

6.2.1 Mẫu hạt nhân Ivanencô – Hayxenbec 44

6.2.2 Cấu trúc của một hạt nhân X 46

6.2.3 Năng lượng liên kết hạt nhân 46

6.2.4 Các chu kỳ trong bảng tuần hoàn 49

Phần KẾT LUẬN 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Phần MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Một trong những thành tựu vĩ đại nhất trong lịch sử phát triển khoa học của nhân loại đó là sự phát hiện ra định luật tuần hoàn của nhà bác học Dmitri Ivanovich Mendeleev Ông đã trải qua bao gian nan, thử thách và gặp nhiều khó khăn trong việc tìm tòi và khám phá ra quy luật của các nguyên tố hóa học Sự phân loại các nguyên tố hóa học dựa vào định luật tuần hoàn mà Mendeleev đã thể hiện dưới dạng hệ thống tuần hoàn, đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu tính chất của các nguyên tố hóa học

và sự phát triển sau này của thuyết cấu tạo chất Những người nghi ngờ bảng hệ thống tuần hoàn luôn luôn tìm cách tấn công vào những sơ hở, những điểm còn thiếu sót của bảng hệ thống tuần hoàn Nhưng không vì thế mà bảng hệ thống tuần hoàn mất đi tính tổng quát của nó mà thông qua đó đã thúc đẩy sự phát triển nhảy vọt

Ngày nay, các học sinh phổ thông cũng đã có một số kiến thức cơ bản về bảng hệ thống tuần hoàn Khi nhìn vào đó, chúng ta không thể tưởng tượng được đó chính là một công trình vĩ đại với sự cống hiến vô hạn của các nhà bác học Ngược dòng thời gian, hơn một thế kỷ trước, bảng hệ thống tuần hoàn vẫn đang là “cái gì đó” đầy bí ẩn, thậm chí là thần bí, gây hoang mang, tranh luận sôi nổi trong giới khoa học Lịch sử chọn lựa

và phân loại một cách chặt chẽ, kỹ càng mọi điều được con người tìm thấy và sáng tạo

Sự chính xác kỳ lạ trở thành quen thuộc của bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev hiện nay không những cho chúng ta thấy được công trình khổng lồ của nhà bác học trong việc nhận biết những gì đã được phát hiện trước đây về những biến đổi của chất, mà công trình còn giúp cho việc dự đoán trực giác vĩ đại về sự tồn tại định luật mới: “Định luật về

sự tuần hoàn của tính chất các nguyên tố hóa học”

Để hiểu về những nỗi gian truân vất vả của Mendeleev đã cống hiến cho những thành tựu mà con người đã và đang thừa hưởng Chúng ta hãy tìm về lịch sử hình thành

và xây dựng bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, ý nghĩa vật lý của nó Một thành công lớn của vật lý học nguyên tử là đã giải thích nguyên nhân các tính chất tuần hoàn trong sự sắp xếp các nguyên tố trong các ô của bảng Vật lý học nguyên tử giải thích đầy

đủ ý nghĩa các “con số” ghi ở mỗi ô: số thứ tự, khối lượng nguyên tử, số khối, số cột, số hàng (chu kỳ)

Song song với sự phát triển của định luật Mendeleev thì ngành vật lý học cũng được phát triển rầm rộ Phần sau của bài viết này chúng ta sẽ vận dụng kiến thức vật lý, đặc biệt là cơ học lượng tử để giải thích cấu tạo của bảng hệ thống tuần hoàn một cách chặt chẽ

Với những lý do trên tôi quyết định chọn đề tài “Tìm hiểu lịch sử xây dựng bảng

hệ thống tuần hoàn Mendeleev” làm đề tài nghiên cứu

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu, tìm hiểu lịch sử xây dựng của bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev Đồng thời, khám phá những nguyên tố hóa học mới được phát hiện sau này

3 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài nghiên cứu dựa trên lý thuyết thuần túy và chỉ nghiên cứu lịch sử xây dựng bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev

4 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN

Nghiên cứu đề tài dựa trên cơ sở tham khảo, phân tích và tổng hợp các nguồn tài liệu có liên quan trên sách, báo, internet,… Từ đó đưa ra những nhận xét, đánh giá chung nhất và trao đổi với giáo viên hướng dẫn

5 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN

Bước 1: Nhận đề tài

Bước 2: Tìm hiểu tài liệu và viết đề cương

Bước 3: Phân tích, tổng hợp tài liệu, tiến hành viết luận văn

Bước 4: Nộp luận văn cho giáo viên hướng dẫn luận văn

Bước 5: Hoàn chỉnh luận văn

Bước 6: Bảo vệ luận văn

Phần NỘI DUNG Chương 1: QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG

TUẦN HOÀN 1.1 NHỮNG NGUYÊN TỐ ĐẦU TIÊN ĐƯỢC KHÁM PHÁ

Các nguyên tố được khám phá ra sao và từ bao giờ? Đó là điều mà chúng ta ai cũng muốn biết Vậy thì chúng ta hãy điểm qua vài nét về những nguyên tố đầu tiên qua các thời đại

Kể từ khi con người biết dùng lửa lần đầu tiên trong lịch sử của mình, họ đã để lại những đống than Chính nhờ nó, họ làm ra những bức họa lên các bức vách của hang động

Ở thời kỳ đồ đá, con người biết lấy đá gọt đẽo thành công cụ Họ chế tạo các đồ dùng từ đất sét mà không hề có một ai biết rằng đó là những hợp chất của nhôm silic và oxi

Đến thời đại đồng đen, họ tạo ra được đồng đen nhờ trộn đồng và thiếc với nhau

Họ cũng thu được chì nhờ quá trình lấy quặng của nó trộn với than rồi ném vào đống lửa Đồng thời họ cũng thu được thủy ngân tinh khiết khi cho kinova (thủy ngân sunfur) đun nóng

Thời đại đồ sắt bắt đầu từ hàng nghìn năm trước công nguyên, khi người ta khám phá ra hợp kim của sắt Và trong buổi bình minh của nghề luyện kim, sự xuất hiện của sắt

là thước đo đánh giá trình độ văn minh của con người thời bấy giờ

Dần dần họ chú ý đến các nguyên tố; nhưng họ không hoài nghi mình đã đụng chạm đến các nguyên tố Ta có thể nhận xét rằng phương pháp làm chủ yếu của họ là dùng lửa (nhiệt) Rồi họ biết cacbon dưới dạng than đá, đến lưu huỳnh, vàng, bạc…

Như vậy, cho đến trước công nguyên, loài người đã biết 9 nguyên tố hóa học, họ đã biết chế tạo và sử dụng chúng một cách hoàn toàn có ý thức Các nguyên tố đó (được viết theo kí hiệu hóa học của Bezeliuxo) là:

Các loại axit là sự sáng tạo quan trọng nhất của họ Họ đã làm hàng loạt phát minh

và trong suốt 2 thế kỉ (từ thế kỉ XII đến thế kỉ XIV) họ đã khám phá ra 3 nguyên tố hóa học quan trọng: Asen (As), Antimon (Sb), Bismut (Bi)

Plantin lần đầu tiên được tìm thấy ở Mexico vào giữa thế kỉ XVI Vẫn chưa ai xác định được khi nào và ai là người đã khám phá ra một trong số 13 nguyên tố khá phổ biến giữa thế kỉ XVII

Đến cuối thế kỉ XVII, kẽm được tách ra dưới dạng tinh khiết và cũng không ai biết

rõ nguồn gốc của nó

Năm 1669, Photpho - theo tiếng Hi Lạp có nghĩa là “chất mang ánh sáng” - được

khám phá ra tại Hamburg (Đức) do Hennig Brand (một nhà giả kim thuật đồng thời là thương gia) thu được từ cặn khô của nước tiểu

Năm 1735, Coban được phát hiện bởi Georg Brandt Tiếp theo đó, năm 1766, Henry Cavendish khám phá ra Hyđrô nhờ quan sát các bọt khí phát ra (“khí có thể cháy”)

khi để miếng kim loại tiếp xúc với axit Mặc dù ông đã sai lầm khi cho rằng hiđrô là hợp chất của thủy ngân (và không phải của axít), nhưng ông đã có thể miêu tả rất nhiều thuộc tính của hiđrô rất cẩn thận

Vào những năm 70 của thế kỉ XVII, Daniel Rutherford được coi là người đầu tiên phát hiện ra Nitơ

Năm 1774, Giôdep Prixtơli đã điều chế được khí oxi và nghiên cứu các tính chất quan trọng nhất của nó Ông lấy một ít hợp chất thủy ngân màu đỏ cho vào ống nghiệm rồi dùng thấu kính (do ông sáng chế ra) để đốt nóng Ông nhận thấy chất khí thoát ra duy trì sự cháy rất tốt

Như vậy, đến giữa những năm 70 của thế kỉ XVIII, loài người đã biết được 20 nguyên tố hóa học

Trong vòng 25 năm tiếp theo, loài người đã khám phá thêm 11 nguyên tố mới Đầu thế kỉ XIX, Kali và Natri được Humphry Davy khám phá bằng cách đun nóng chảy Kali Hyđroxit và Natri Hyđroxit và cho dòng điện chạy qua

Năm 1808 phát hiện thêm hàng loạt các nguyên tố mới

Năm 1817, loài người đã biết gần 50 nguyên tố

Đến năm 1869, tổng cộng có 63 nguyên tố đã được tìm ra

1.2 NHỮNG DỰ KIẾN HỆ THỐNG HÓA TRƯỚC MENDELEEV

Nhiều nguyên tố mới được tìm ra, lại một vấn đề quan trọng là liệu có thể sắp xếp chúng theo một quy luật, trật tự nhất định nào đó, nhằm tìm ra những tính chất chung và phân loại các đơn chất, hợp chất không?

Đây là một vấn đề cực kì quan trọng vì nó sẽ giải quyết được nhiều câu hỏi như: Còn có nguyên tố nào chưa được tìm ra không?

Những nguyên tố nào có tính chất tương tự nhau, liệu ứng dụng của chúng trong thực tiễn có như nhau hay không?

Chính những yêu cầu này đã khiến cho các nhà hóa học thời bấy giờ cùng nhau thúc đẩy tư duy để sắp xếp các nguyên tố lại Và đã có nhiều quy luật được đưa ra

1.2.1 Ý tưởng đầu tiên

Nhà bác học người Pháp Lavoadiê đã tiến hành vào cuối thế kỉ XVIII Lúc này

Lavoadiê biết được 33 “ thực thể đơn giản” và ông phân chúng làm 4 loại:

- Các chất khí và các “flut” ( ánh sáng và nhiệt lượng)

- Các á kim

- Các kim loại

- Đất

Dĩ nhiên đây là sự phân loại thô sơ, nhưng nó đã khởi đầu cho nhiều cố gắng khác,

mà những cố gắng đó đã tăng lên theo mức độ phát minh ngày càng nhiều những nguyên

tố mới

1.2.2 Quy tắc tam tử

Năm 1817, Johann Dobereiner nhận thấy trọng lượng của nguyên tử Sr rơi vào

khoảng trọng lượng của Ca và Ba - hai nguyên tố hóa học có tính chất khá tương đồng

với nhau

12 năm sau, ông lại quan sát thấy những quy luật như vậy trong các nhóm halogen (Cl, Br, I) và nhóm kim loại kiềm (Li, Na, K), từ những quan sát này ông đã chia một số nguyên tố được phát hiện trước đó thành những nhóm 3 nguyên tố và gọi chúng là những

“bộ ba” (tam tử)

Tính chất chứa đựng trong các “bộ ba” là nguyên tố nằm giữa có tính chất bằng trung bình cộng tính chất của hai nguyên tố nằm cạnh nó, thứ tự các nguyên tố được sắp xếp theo sự tăng dần trọng lượng nguyên tử

Hình 1.1: Quan niệm “bộ ba” của Johann Dobereiner

Quan niệm về “bộ ba” không được chấp nhận do sự phát hiện ra những nhóm mới gồm 4 nguyên tố (nhóm halogen: O, S, Se, Te) hay 5 nguyên tố (đồng đẳng của nitơ: N,

P, As, Sb, Bi)

1.2.3 Mô hình đinh vít của A Béruyer De Chancuortois

Hình 1.2: Mô hình đinh vít của A Béruyer De Chancuortoi

Thập kỉ 60 - 70 của thế kỉ XIX, quan niệm về sự tuần hoàn tính chất các nguyên tố

(ở trạng thái đơn nguyên tử, đơn phân tử hay hợp chất) đã ra đời, đánh một dấu mốc trong tư duy logic mới của các nhà hóa học Đi tiên phong cho quan niệm này là A Béruyer De Chancuortois (1862), ông đã có nhận định được các nguyên tố có một liên quan về mặt tính chất với nhau Ông dùng mô hình đinh vít để sắp xếp các nguyên tố với nhau

Trong mô hình này các nguyên tố của một “họ” nằm trên cùng một đường sinh của hình trụ được chia thành 16 đơn vị, con số này đã được gắn là khối lượng của oxi

1.2.4 Quy tắc bát tử

Trong khoảng 1864 - 1865, J Newlands đã dựa trên những quan niệm của Chancuortois để xây dựng một hệ thống mới, cũng dựa trên sự tăng dần khối lượng nguyên tử các nguyên tố

Ông chia các nguyên tố đã biết thành 7 nhóm, mỗi nhóm gồm 8 nguyên tố, đứng đầu mỗi nhóm là 1 trong 7 nguyên tố nhẹ nhất đã được xác định thời bấy giờ là H, Li, Be (Gl), B, C, N và O (Gl là kí hiệu trước đây của Be)

Hình 1.3: Sự sắp xếp các nguyên tử theo quan niệm của J Newlands

Newlands đã quan niệm sự phân chia, sắp xếp các nguyên tố như bảy nốt trong thang

âm nhạc Từ Li đến Na là một quãng tám (bát độ, octave) của 8 nguyên tố, nguyên tố thứ

8 lặp lại tính chất cơ sở của nguyên tố đầu tiên Quy tắc của ông được gọi là “định luật

quãng tám” (tên gốc TA: Newlands' Octaves)

Hình 1.4: Sự sắp xếp trên thang âm nhạc

Ông nói rằng từ Li đến Na là một chu kì của 8 nguyên tố, trên Li và Na là các chu kì khác Tuy nhiên đến chu kì thứ 4 của Co/Ni thì đã xảy ra lỗi Vậy là lại một hệ thống nữa

ra đời nhưng vẫn chưa thể sắp xếp được chính xác các nguyên tố theo một trật tự nhất định, đồng nhất

1.2.5 Sự biến đổi tuần hoàn nguyên tử theo khối lượng nguyên tử của Mayer

Khoảng năm 1864 - 1868, xuất hiện bảng của Mayer Bảng này dựa trên giống nhau

của các nguyên tử (hóa trị) theo hyđro bao gồm 14 nguyên tố xếp thành 6 cột đứng L.Mayer hơn hẳn các nhà bác học trước đó là ông đã đi đến gần sự phát minh ra định luật tuần hoàn Tuy nhiên ông cũng không đưa ra một kết luận logic nào từ thực tế vi phạm tính quy luật quan trọng do ông phát hiện ra

Năm 1869, nhà hoá học Đức Lothar Mayer về đồ thị biểu diễn sự thay đổi thể tích nguyên tử (trọng lượng chia cho tỉ trọng) theo chỉ số tăng của trọng lượng nguyên tử Ông nhận thấy có sự biến đổi tuần hoàn

Hình 1.5: Đồ thị biến đổi thể tích nguyên tử các nguyên tố của Mayer

Tất cả các cách sắp xếp trên chỉ mới thể hiện được mối liên hệ giữa các nguyên tố trong từng nhóm mà chưa tìm ra mối liên hệ giữa các nhóm, chưa tìm ra quy luật chung làm cơ sở cho sự sắp xếp các nguyên tố

Sau khi phát hiện được những biểu hiện riêng lẻ của quy luật vĩ đại trong thế giới các nguyên tố hóa học, những người đi trước Mendeleev, vì những lý do khác nhau đã không có khả năng vươn tới sự khái quát hóa vĩ đại và ý thức tồn tại trên thế giới một định luật vĩ đại

Một số nhà bác học đã đi đến ngưỡng cửa của sự phát minh Tuy nhiên, họ không dám đưa ra những kết luận táo bạo để được vinh quang J Newlands có thể coi là người đầu tiên phát hiện ra sự lặp lại của nguyên tố thứ tám nhưng ông không tiên đoán được sự tồn tại của những nguyên tố chưa được phát hiện Nhận thấy rằng các bảng phân loại không phản ánh hết quy luật cơ bản chung nhất của các nguyên tố mà đó chỉ là hình ảnh giả tạo về trật tự trong thế giới các nguyên tố

Chương 2: SỰ SÁNG LẬP ĐỊNH LUẬT TUẦN HOÀN 2.1 PHƯƠNG ÁN ĐẦU TIÊN

“Thí nghiệm hệ thống các nguyên tố dựa trên nguyên tử lượng và sự giống nhau về tính chất hóa học của chúng”

Đó là tên gọi mà Mendeleev đặt cho phương án của mình Nó chỉ thẳng ra rằng: ông

có đến 2 cơ sở để xây dựng bảng, khác với những dự kiến xây dựng mà ta đã thấy Các bậc tiền bối chỉ chọn một phương án duy nhất hoặc nguyên tử lượng, hoặc đương lượng hóa học, hoặc sự giống nhau về hóa trị, hoặc sự giống nhau về tính chất hóa học…

Mendeleev tin tưởng sâu sắc rằng giữa tất cả các nguyên tố hóa học phải tồn tại mối liên hệ có quy luật thống nhất chúng lại thành một khối và ông đã đi đến kết luận rằng cơ

sở của việc hệ thống hóa phải là khối lượng nguyên tử tương đối của chúng Bởi vì chính

nó quyết định tất cả những tính chất bền vững và không thay đổi trong mọi trạng thái thù hình

Mục đích trước tiên mà Mendeleev đặt ra cho việc hệ thống hóa là sư phạm học tập Điều làm ông băn khoăn là chọn cái gì làm cơ sở cho việc hệ thống hóa Ông tiến hành thí nghiệm thử đối với tỉ trọng, nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy…, nhưng những hằng số

đó không thể làm cơ sở để hệ thống hóa được Và cuối cùng chính khối lượng nguyên tử nảy ra như là hằng số cơ bản

Sau đó, ông viết những chỉ số cơ bản của mỗi nguyên tố vào các phiếu ghi rồi ông bắt đầu phân chia những “tấm bài” của mình mà nhiều người vẫn nói đùa là phương thức vận dụng Tất cả chỉ gồm 63 nguyên tố, một con số khá khiêm tốn so với bây giờ Sau nhiều cách ông phát hiện rằng, khi sắp xếp các nguyên tố theo khối lượng nguyên tử của chúng thì không những không có mâu thuẫn mà ngược lại đã chỉ thẳng ra sự giống nhau giữa chúng

Quả thật, sau khi xếp các nguyên tố theo thứ tự khối lượng nguyên tử tăng dần, Mendeleev nhận thấy sau những khoảng xác định ta lại gặp những nguyên tố giống nhau

về phương diện hóa học và như vậy trong dãy các nguyên tố, nhiều tính chất của chúng lặp lại một cách tuần hoàn

Vậy là ngày 17 tháng 02 năm 1869, hệ thống tuần hoàn ra đời, một ngày lịch sử trong lịch sử khoa học Tất cả các nguyên tố được sắp đặt theo 19 hàng ngang và 6 cột đứng

- Hàng ngang bao gồm những nguyên tố giống nhau, khối lượng nguyên tử của

chúng tăng từ trái sang phải Đặc biệt độ dài các hàng ngang này sang hàng ngang khác thể hiện rõ tính quy luật liên kết giữa các nguyên tố

- Cột đứng gồm các nguyên tố có tính chất khác nhau Khi đi từ trên xuống dưới

thì khối lượng nguyên tử của các nguyên tố cũng thay đổi đều đều từ nguyên tố này tới nguyên tố khác

Ngày 01 tháng 03 năm 1869, Mendeleev gửi “Thí nghiệm hệ thống các nguyên tố dựa trên nguyên tử lượng và sự giống nhau về tính chất hóa học của chúng” in thành bảng nhỏ cho nhiều nhà khoa học Nga và nước ngoài

Bảng đầu tiên còn xa lạ, nhưng đây là bảng minh họa đầu tiên quy luật do Mendeleev phát hiện “các nguyên tố sắp xếp theo chiều tăng dần của nguyên tử lượng, thể hiện tính tuần hoàn rõ rệt về tính chất”

- Bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev năm 1869:

Đóng góp quan trọng của Mendeleev là ở đây, với những ô trống trong bảng ông tuyên bố rằng các nguyên tố ấy chưa được khám phá Tuy nhiên ông còn đi xa hơn nữa, ông tiên đoán một cách mạnh dạn như chính ông đã nhìn thấy các nguyên tố chưa bị khám phá rằng: chúng có trọng lượng nguyên tử bằng bao nhiêu và các tính chất hóa học như thế nào?

Bởi vì ông cho rằng, ba nguyên tố chưa bị khám phá đó phải giống như Bo, Nhôm,

Silic và ông đặt tên cho chúng là eka - Bo, eka - Nhôm, eka - Silic Ông khẳng định eka -

Silic phải là một chất rắn, có màu nâu xỉn, trọng lượng nguyên tử phải bằng 72 và tỷ

trọng bằng 5.5, hợp chất của eka - Silic với Clo phải là dạng lỏng

Cần nhấn mạnh rằng, trước đó chưa bao giờ và chưa ai dám tiên đoán như thế Và nếu như vậy, chỉ cần một trong ba nguyên tố đó được khám phá cũng đủ để chứng minh ý nghĩa và sức mạnh của hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học do Mendeleev đề ra Phương án đầu tiên của hệ thống cho phép Mendeleev nêu lên những kết luận chủ yếu để cô đúc thành công thức định luật tuần hoàn sau này:

- Các nguyên tố được sắp xếp theo đại lượng khối lượng nguyên tử, thể hiện tính

quy luật về sự thay đổi tính chất

- Đại lượng khối lượng nguyên tử xác định tính chất của nguyên tố

- Các nguyên tố có khối lượng nguyên tử nhỏ phổ biến hơn trong tự nhiên, tính

chất của chúng được biểu thị mạnh mẽ

- Có thể hy vọng tìm thấy những chất đơn giản

- Đôi khi có thể sửa đổi khối lượng nguyên tử các nguyên tố dựa vào khối lượng

nguyên tử các nguyên tố tương tự

- Một số nguyên tố tương tự lại được phát hiện theo khối lượng nguyên tử của

2.2.1 Quá trình phát hiện định luật tuần hoàn

Xuất phát từ chỗ Mendeleev không thỏa mãn với những kết quả đạt được vì ông nhận thấy phương án đầu có chút gì đó không đáp ứng được

Thật vậy, phương án thứ nhất không phản ánh được sự giống nhau của các nguyên

tố có họ hàng với nhau theo hóa trị cao nhất Cụ thể là tất cả các nguyên tố Cr, Mo, W đều có hóa trị cao nhất +6 theo Oxi nhưng nó cũng có những á kim hàng dài thứ mười ba, những nguyên tố tương tự Oxi Như vậy, vấn đề đặt ra là cần phải sắp xếp chúng lại gần nhau mà không làm mất đi quy luật về sự thay đổi khối lượng nguyên tử theo hàng ngang

và hàng dọc Do đó, phương án thứ hai đặt ra là ông cần làm cho bảng của mình trở nên chặt chẽ hơn Đó lại là một việc không đơn giản, nó đòi hỏi Mendeleev phải mất hơn một năm rưỡi làm việc căng thẳng, tuy nhiên kết quả xứng đáng đã đền bù công sức của ông Chúng ta cùng đi theo con đường mà nhà bác học này đã đi

Trên tấm thẻ thứ nhất, Mendeleev viết tên của Hiđrô có nguyên tử lượng nhỏ nhất bằng 1, nguyên tố tiếp theo lúc bấy giờ là Liti có nguyên tử lượng bằng 7 dưới Hiđrô Một số nhà bác học cho rằng công thức của Berili Oxit là BeO (trường hợp này nguyên tử lượng của Be là (9), số khác lại cho công thức là Be2O3 (trường hợp này nguyên tử lượng bằng (14) Mendeleev đã viết lên tấm thẻ thứ ba là Be (9) chứ không phải Be (14) Và đó là một bước dũng cảm, ông chỉ chọn một giá trị duy nhất, hoàn toàn xác định trong số nhiều giá trị nguyên tử lượng của Be Mendeleev chú ý đặc điểm các tính chất hóa học của Berili, các tính chất này là sự chuyển tiếp dần từ tính chất của Liti đến tính chất của Bo

Mendeleev đặt tấm thẻ Bo vào vị trí thứ tư; Cacbon vào vị trí thứ năm; vị trí thứ sáu

có Nitơ; tiếp đến là Oxi và Flo Tấm thẻ thứ 9 của kim loại Natri được xếp dưới tấm thẻ thứ hai của Liti Theo thứ tự vị trí tiếp theo là Magiê, đến Nhôm Dưới Cacbon có Silic; dưới Nitơ có Photpho, dưới Oxi có Lưu huỳnh; dưới Flo có Clo

Như vậy, các nguyên tố có tính chất hóa học giống nhau được xếp hành “cột dọc” Cách sắp xếp này hoàn toàn thể hiện rõ tính tuần hoàn về tính chất các nguyên tố Chẳng hạn:

- Kim loại Liti giống Natri: mềm, nhẹ, cắt được bằng dao, tác dụng mãnh liệt với

nước tạo thành kiềm

- Berili giống Magiê

- Flo có nhiều tính chất giống Clo: chúng đều tạo với kim loại những hợp chất

giống nhau

- Tính chất hóa học của Oxi và Lưu huỳnh giống nhau

Tiếp theo là sự sắp xếp các nguyên tố:

Tiếp theo trong dãy tăng dần nguyên tử lượng lẽ ra phải là Vanadi nhưng tấm thẻ Vanadi được tạm để sang một bên, và thay vào đó bên cạnh Canxi là một tấm thẻ trắng theo quan điểm của các nhà bác học thời bấy giờ đó là một cách xử sự khó hiểu và không

có cơ sở gì cả

H

1 Những nguyên

Vị trí tiếp theo này lại có Titan Nguyên tố này Mendeleev đã dám thay đổi nguyên

tử lượng từ 52 thành 48 Trong khi bản thân ông chưa có một công trình nghiên cứu nào

về nguyên tố đó và trái với những điều mà các nhà bác học trên toàn thế giới biết về Titan Cuối cùng sau Titan là Vanadi, đến Crôm và Mangan

Chu kỳ này trong bảng Mendeleev là chu kỳ dài, sau Mangan là Sắt, Coban, Niken; sau đó là Đồng, Kẽm Ngay sau Kẽm, nhà bác học lại để hai vị trí trống liền nhau trong bảng

Tiếp theo đó là các tấm thẻ của các nguyên tố đã được biết rõ: Asen, Selen và Brom kết thúc chu kỳ dài

Từ những điều chúng ta vừa phân tích rõ ràng mọi sự xảy ra không đơn giản như chính Mendeleev đã kể lại Chỉ riêng những sự kiện mà các nhà bác học trước Mendeleev

đã biết dù tổ hợp bằng cách nào cũng không đủ để phát minh ra một trong những định luật vĩ đại của tự nhiên: “Định luật tuần hoàn”

Những chỗ trống trong bảng có ý nghĩa gì? Phải chăng đó là những khoảng trống trong tự nhiên, do đó các nhà hóa học không thể tìm thấy các nguyên tố cho các ô trống của bảng

Chẳng hạn, liệu trong tự nhiên có nguyên tố nào có nguyên tử lượng lớn hơn của Canxi và bé hơn Titan, đồng thời có tính chất hóa học giống Bo và Nhôm?

Năm 1870, trong tạp chí hội hóa học Nga xuất hiện bài báo của Mendeleev Nhan

đề bài báo “Hệ thống tự nhiên các nguyên tố và ứng dụng của hệ thống này để chỉ ra tính chất các nguyên tố chưa được phát minh”

Ta thử so sánh tính chất của các nguyên tố ở ô trống với tính chất các nguyên tố lân cận

Mendeleev gọi tên nguyên tố giả định sẽ phải có trong vị trí ô trống thứ nhất là eka

- Bo Trong bảng eka - Bo đứng sau Canxi Mendeleev gọi tên nguyên tố phải chiếm vị

trí ô trống gần kẽm là eka - Nhôm và nguyên tố lân cận là eka - Silic

Vị trí trống của eka - Bo nằm giữa Canxi (40) và Titan (48) Do đó, nguyên tử lượng của eka - Bo phải nằm gần giá trị trung bình:

40 + 48

Eka - Bo phải tạo thành với Oxi có thành phần tương tự oxit của Bo và Nhôm

:X2O3 Và là kim loại nhẹ vì nó nằm giữa 2 kim loại nhẹ Canxi và Titan

Tỉ khối tương đối của các nguyên tố lân cận eka - Bo trong bảng cho phép xác định

cả tỉ khối tương đối của eka - Bo Tỉ khối của Canxi là 1.5, của Titan là 4.5, vậy tỉ khối của eka - Bo phải xấp xỉ:

1.5 + 4.5

Eka - Bo phải tạo nên những muối không màu vì các nguyên tố lân cận tạo nên hợp chất không màu Eka - Bo không bay hơi vì các nguyên tố lân cận không bay hơi Tính

bazo của nguyên tố đó yếu vì tính bazo của oxit Titan yếu

Bằng cách này có thể tiên đoán tính chất hóa học của nguyên tố mới bên cạnh kẽm:

eka - Nhôm và eka - Silic

Phương án thứ hai khác nhiều so với phương án đầu tiên Những hàng ngang ở phương án đầu tiên chuyển thành hàng dọc Tính họ hàng của các nguyên tố được thể hiện chặt chẽ Ở dạng này còn xuất hiện thêm một bộ phận mới gọi là nhóm Do đó, cách sắp xếp này tạo ra 8 nhóm nguyên tố Sáu cột đứng ở phương án đầu tiên chuyển thành các chu kỳ, chúng được phân chia thành 12 hàng Mỗi chu kỳ bắt đầu bằng một kim loại kiềm hoạt động mạnh và kết thúc bằng một á kim điển hình halogen

Phương án thứ hai này được xây dựng phức tạp và hiện đại hơn, nó giúp Mendeleev

có khả dự đoán sự tồn tại của nhiều hơn 4 nguyên tố như ở phương án đầu tiên Đồng thời ông còn dự đoán được khả năng tồn tại của các nguyên tố sau Urani Tám nguyên tố được ông sắp xếp trong hệ thống trái hẳn với quan điểm được thừa nhận vào thời kỳ đó

về sự giống nhau của chúng với các nguyên tố khác

Ví dụ: Berili (Be) trước đây cho rằng nó là nguyên tố hóa trị 3 giống như Al, ông lại cho tương tự Ca

Hay Tali (Tl) trước kia cho rằng nó là kim loại kiềm, nhưng ông tách nó ra khỏi những nguyên tố kim loại kiềm đưa nó vào nhóm III để phù hợp với hóa trị thực nghiệm cao nhất của nó

Với nhiều cải tiến, Mendeleev đã được hầu hết các nhà bác học nhất trí Tuy nhiên, thoạt đầu giới khoa học phương Tây nghi ngờ hệ thống và những tiên đề của ông Tuy nhiên với niềm tin vững chắc vào tính tự nhiên trong hệ thống của mình, trong tính chính xác khoa học, Mendeleev đã thực hiện bước nhảy kỳ diệu trong lịch sử hóa học khi thách thức thế giới bác học

Năm 1871, Mendeleev đã trình bày định luật do ông phát minh: “Tính chất của các đơn chất đơn giản cũng như dạng và tính chất của các hợp chất của các nguyên tố đều phụ thuộc tuần hoàn vào trọng lượng nguyên tử của các nguyên tố”

2.2.2 Các tiên đoán của Mendeleev đã được kiểm nghiệm

Năm 1875, nhà bác học về quang phổ người Pháp P.Lecoq De Boisbaudran tách được một nguyên tố mới khỏi chất khoáng lấy từ dãy núi Pyrénées Ông lưu ý đến vạch tím nhạt trong quang phổ của chất khoáng, vạch này không thể gán cho bất cứ nguyên tố hóa học nào đã biết Ông gọi tên nguyên tố này là Gali

Gali là kim loại hiếm, Boisbaudran phải mất nhiều công sức mới có thể khai thác được một lượng kim loại nhỏ bằng đầu kim Nhưng Boisbaudran rất khéo léo, ông đã sử dụng mẫu kim loại đó để làm thí nghiệm và đã mô tả tỉ mỉ nhiệt độ nóng chảy hợp chất với Oxi và ngay cả muối của Gali

Boisbaudran công bố phát minh của mình cùng với việc chỉ ra tính chất, đặc biệt là

tỷ trọng của Gali bằng 4,7 và đăng trong tạp chí của Viện hàn lâm khoa học Pari Mendeleev sau đó đã viết thư cho Viện hàn lâm xác định tỷ trọng nguyên tố mới là không chính xác (mặc dù Mendeleev chưa từng nhìn thấy Gali), nó phải nằm trong khoảng 5,9 –

6,0 đúng như eka - nhôm mà ông đã dự đoán Như vậy buộc nhà bác học Pháp phải tiến

hành xác định lại và quả thật nó bằng 5,96 Đây đúng là một kết quả tuyệt vời

Năm 1879, nhà bác học L.Nilsơn tìm thấy nguyên tố mới trong chất khoáng hiếm Gadolinit Người ta gọi nguyên tố mới đó la Scandi Sự trùng khớp giữa những tính chất của nguyên tố Scandi do ông tìm ra với những tính chất mà Mendeleev đã dự đoán đối

với eka - Bo làm L.Nilsơn càng thêm tin hơn là đang nói về một nguyên tố

Vào năm 1886, nhà hóa học Đức K.Winkler phát minh được nguyên tố mới gọi là Gecmani Ông rất tin tưởng ở sự trùng lặp tuyệt đối giữa những tính chất của nguyên tố

do ông tìm ra với những tính chất của eka - silic mà Mendeleev đã từng dự đoán Và phát

dĩ nhiên phát minh này là điều khẳng định mạnh mẽ hơn cho một học thuyết táo bạo Nó đánh dấu sự mở rộng đặc sắc tầm mắt hóa học, một bước nhảy vọt trong lĩnh vực nhận thức

Cả ba nguyên tố đã phù hợp một cách kỳ lạ giữa những tính chất đã tiên đoán với những điều đã đo đạc được Điều này đã khẳng định tính thiên tài của Mendeleev và củng

cố uy tín cho bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố do ông sáng lập Mendeleev hài lòng vì được chứng kiến sự khám phá cả 3 nguyên tố ngay lúc ông còn sống Như vậy, việc phát hiện ra Gali, Scandi, Gemani là thành công vĩ đại nhất của định luật tuần hoàn

Mendeleev đã tiên đoán sự tồn tại trong tự nhiên hơn 10 nguyên tố mới, chưa ai biết Ông tiên đoán nguyên tử lượng đúng cho khoảng một chục nguyên tố Các nhà nghiên cứu tiếp tục tìm tòi các nguyên tố mới trong tự nhiên, dựa trên định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn Định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn không những giúp các nhà bác học trên con đường tìm chân lí mà còn giúp chỉnh lí các sai lầm và lạc hướng trong khoa học

Chương 3: BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN MENDELEEV

Chúng ta sẽ bắt đầu nghiên cứu cấu tạo bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố với dạng ngắn do nó hoàn thiện về kết cấu và D.I.Mendeleev thường đưa ra hơn trong nhiều lần xuất bản của mình về cuốn “Những cơ sở của hóa học” Hơn nữa, là nó được thừa nhận như là tài liệu giáo khoa cho các trường phổ thông

3.1 CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ

3.1.1 Các chu kỳ

Các cột ngang trong bảng là các chu kỳ được đánh số thứ tự từ bên trái bằng chữ số

Ả Rập, hoặc là các hàng riêng biệt của chúng

Trong bảng có tất cả 7 chu kỳ gồm 12 hàng Ta có thể hiểu chu kỳ là dãy các nguyên tố có các tính chất biến thiên liên tục, chẳng hạn dãy tám nguyên tố từ Liti đến Neon

Ở phần giữa các chu kỳ có những nguyên tố mang tính chất lưỡng tính, nghĩa là vừa biểu hiện tính chất của một kim loại vừa biểu hiện tính chất của một á kim nhưng một trong hai tính chất này được biểu hiện trội hơn

Ví dụ:

- Đầu tiên là Na (Natri) kim loại kiềm hoạt động mạnh

- Tiếp theo là Mg (Magie) tính hoạt động kim loại yếu hơn

- Sau đó là Al (Nhôm) nguyên tố lưỡng tính

Như vậy tính kim loại giảm dần và tính á kim tăng dần từ trái sang phải theo chu kỳ

Độ dài các chu kỳ khác nhau, nghĩa là nó chứa các số lượng khác nhau các nguyên tố

- Chu kỳ 1 có 2 nguyên tố: Hiđrô (H) và Heli (He) nguyên tử của 2 nguyên tố này

đều có cùng 1 lớp electron chỉ khác về số electron, như vậy số thứ tự của H là 1 đúng bằng điện tích hạt nhân của nó là +1, của He là 2 trùng với điện tích hạt nhân của nó là +2

- Chu kỳ 2 và 3 mỗi chu kỳ gồm 8 nguyên tố thuộc những phân nhóm chính của 8

nhóm khác nhau

- Chu kỳ 4 và 5 mỗi chu kỳ gồm có 18 nguyên tố Ngoài 8 nguyên tố thuộc phân

nhóm chính, căn cứ 10 nguyên tố được gọi là nguyên tố chuyển tiếp thuộc 8 phân nhóm phụ, trong đó phân nhóm phụ thuộc nhóm thứ 8 gồm bộ 3 nguyên tố

- Chu kỳ 6 có 32 nguyên tố Ngoài 18 nguyên tố thuộc 8 phân nhóm chính và 8

phân nhóm phụ như chu kỳ 4 và 5, còn có 14 nguyên tố tiếp sau nguyên tố Lantanoit (La)

- nguyên tố đầu của bộ 10 nguyên tố chuyển tiếp - thuộc phân nhóm đặc biệt Lantanoit

- Chu kỳ 7 vẫn chưa được hoàn thành nhưng cũng được xây dựng một cách tương

tự chu kỳ 6 Sau nguyên tố chuyển tiếp Actinoit (Ac) là những nguyên tố thuộc phân nhóm Actinoit

Từ đó có thể rút ra một số kết luận sau đây:

- Chu kỳ là một dãy các nguyên tố, có cùng số lớp điện tử, bắt đầu là nguyên tố có

electron ns1 Kết thúc là nguyên tố có electron bão hòa ở phân lớp np6

- Số thứ tự của chu kỳ đúng bằng số lớp electron của nguyên tử, chính là bằng giá

trị cực đại của số lượng tử chính (n) trong cấu hình electron Nguyên tử của các nguyên

tố đã biết hiện nay có từ 1 đến 7 lớp nên trên thực tế chỉ có 7 chu kỳ Từ chu kỳ 1 sang chu kỳ 2 thêm 1 lớp electron Từ chu kỳ 2 sang chu kỳ 3 thêm một lớp electron nữa

- Sự gia tăng số lớp electron làm cho electron càng tăng, ngày càng ở xa nhân tức

là bán kính nguyên tử tăng nhưng ở mỗi lớp số electron tăng dần từ 1 (ở ns1) đến 8 (ở ns2

np6) nghĩa là từ đầu đến cuối chu kỳ, các nguyên tố có số electron lớp ngoài cùng tăng dần như sau (chỉ ghi phân lớp ngoài)

ns1 ns2 np2 np4 np5 np6

- Qui luật này lặp đi lặp lại ở các chu kỳ, nói một cách khác cấu tạo nguyên tử có

tính tuần hoàn lặp đi lặp lại từ chu kỳ này sang chu kỳ kia

- Ở chu kỳ 1 với n = 1 chỉ có 1s nên có 2 nguyên tố

- Chu kỳ 2 phải làm đầy lớp 2s và 2p cần 8 electron nên chỉ có 8 nguyên tố

- Chu kỳ 3 phải làm đầy lớp 3s và 3p

- Chu kỳ 4 phải làm đầy 4s3d4p cần có 18 electron nên chỉ có 18 nguyên tố

- Chu kỳ 5 phải làm đầy 5s4d5p

- Chu kỳ 6 phải làm đầy 6s4f5d6p , nghĩa là cần 2+14+10+6 = 32 electron nên cần

Ví dụ: với nhóm VII, sự giống nhau giữa một nguyên tố Halogen bất kỳ nào với Mangan (Mn) chỉ còn là cùng có hóa trị 7+ trong các oxit và axit cao nhất của chúng Bảng của Mendeleev lúc đầu có tám nhóm, sau khi phát minh ra khí trơ thì là 9 nhóm, do hóa trị của chúng bằng 0 Tuy nhiên, sau quá trình nghiên cứu, nguời ta xác định rằng một vài nguyên tố khí trơ có khả năng tạo hợp chất và hóa trị dương của chúng đạt đến 8+ Và thế là việc cần thiết phải đưa chúng vào nhóm VIII Cấu trúc này theo nhiều ý kiến là hoàn chỉnh và hợp lý hơn cả

Quy tắc được đưa ra là: tổng đại số hóa trị dương và hóa trị âm cao nhất của một nguyên tố á kim bằng 8

Ví dụ: Photpho (P), nhóm V:

- Hóa trị dương trong oxit cao nhất là 5+

- Hóa trị âm trong hợp chất Hiđrô là 3-

Vậy 5 + 3 = 8

Tuy nhiên, cái gì cũng có ngoại lệ của nó Chẳng hạn Brom (Br) là nguyên tố nhóm VII nhưng hóa trị dương cao nhất không là 7+ mà là 5+,…chỉ có Heli và Neon nếu xuất phát từ những dự kiến về năng lượng thì thực sự chúng vẫn chỉ là các nguyên tố trơ

3.1.3 Phân nhóm

Phân nhóm là khái niệm hẹp hơn khái niệm nhóm, nhưng không kém quan trọng hơn Nó là một dãy các nguyên tố giống nhau về tính chất hóa học Nguyên nhân của sự tương tự này là ở chỗ cùng có một kiểu cấu tạo lớp vỏ điện tử của các nguyên tử các nguyên tố

Ta có thể phân loại như sau:

- Các phân nhóm chính (8): loại I (2 - ns), loại II (6 - np)

- Các phân nhóm phụ (10): loại III (nd)

- Các phân nhóm phụ thứ hai (14): loại IV (nf)

Nhận thấy rằng số phân nhóm của 4 loại lập thành cấp số cộng và nó không phải là một sự ngẫu nhiên Nó giải thích các vấn đề sau:

- Sự phân chia các phân nhóm theo các loại được quyết định bởi những đặc điểm

trong cấu tạo lớp vỏ điện tử của nguyên tử các nguyên tố của mỗi loại

- Sự sắp xếp lẫn nhau giữa phân nhóm chính và phân nhóm phụ cũng theo các

cách khác nhau

- Do sự gần nhau về tính chất giữa các nguyên tố phân nhóm chính của nhóm III,

gồm toàn các kim loại, với các nguyên tố phân nhóm phụ cũng gồm toàn kim loại, nên một số nhà bác học bố trí các nguyên tố trong nhóm đó theo cách khác với nhóm trong bảng thường dùng

3.1.4 Số thứ tự nguyên tử các nguyên tố (Ô)

Một khái niệm quan trọng trong bảng hệ thống tuần hoàn là số thứ tự nguyên tử của nguyên tố Tất cả các nguyên tố được Mendeleev sắp xếp theo một trình tự nhất định từ trái sang phải theo chu kỳ, sau đó chuyển tiếp từ nguyên tố cuối cùng của một chu kỳ tới nguyên tố đầu tiên của chu kỳ tiếp theo rồi cứ lặp lại như thế…

Về cơ bản, trình tự này phù hợp với sự tăng dần khối lượng nguyên tử của các nguyên tố Tuy nhiên lại có một vài nguyên tố sắp xếp trái ngược với khối lượng nguyên

tử của chúng, mục đích là không phá hủy sự tương xứng về tính chất hóa học Mendeleev

đã mạnh dạn “hy sinh” khối lượng nguyên tử cho các tính chất hóa học của nguyên tố, vì vậy Mendeleev tạo được sự độc đáo trong bảng của mình

Lúc đầu, Mendeleev không đánh số thứ tự cho các nguyên tố ở dãy của mình, sau này mới được tiến hành Số thứ tự các nguyên tố đúng bằng điện tích hạt nhân của nguyên tử của nguyên tố đó

3.2 NHỮNG QUY LUẬT THAY ĐỔI TÍNH CHẤT CÁC NGUYÊN TỐ 3.2.1 Quy luật biến thiên tính chất các nguyên tố trong một chu kỳ

Trong một chu kì, khi đi từ trái sang phải, điện tích hạt nhân tăng dần nhưng số lớp electron bằng nhau cho nên lực hút hạt nhân tới các electron lớp ngoài cùng tăng dần, nguyên tử dễ thu thêm electron, do đó tính kim loại giảm dần, tính phi kim tăng dần.Vì thế mà lực hút của các hạt nhân với electron ngoài cùng là:

Với: z là điện tích hạt nhân,

e là điện tích electron,

r là khoảng cách từ nhân đến electron ngoài cùng

Ví dụ: Chu kì 3 bắt đầu bằng Natri là một kim loại điển hình, rồi đến Magie là một kim loại hoạt động mạnh nhưng kém Natri; Al là một kim loại nhưng hiđrôxit mang tính chất lưỡng tính; Si là một phi kim, rồi từ P → S → Cl, tính phi kim mạnh dần, Cl là phi kim điển hình, cuối cùng là khí hiếm Ar Qui luật trên được lặp lại trên mỗi chu kì

3.2.2 Quy luật biến thiên tính chất các nguyên tố trong một nhóm

Trong một nhóm, theo chiều từ trên xuống dưới, số electron tăng dần làm bán kính nguyên tử tăng nhanh trong khi điện tích hạt nhân tăng chậm hơn, lực hút với các electron ngoài cùng càng giảm, do đó khả năng nhường electron lớp ngoài cùng càng tăng nên tính kim loại tăng, tính phi kim giảm dần

Ví dụ: nhóm 1 gồm các kim loại điển hình, tính kim loại tăng rõ rệt từ Li → Cs Cs

là kim loại mạnh nhất

Chương 4: QUÁ TRÌNH BỔ SUNG BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN 4.1 ĐƯA NGUYÊN TỐ KHÍ TRƠ VÀO HỆ THỐNG TUẦN HOÀN

Một vấn đề thú vị được đưa ra là D.I.Mendeleev đã tiên đoán sự tồn tại của các nguyên tố trơ và chúng có phải là chất khí hay không? D.I.Mendeleev rất chú ý phân tích khối lượng nguyên tử các nguyên tố để có thể kết luận rằng giữa mỗi halogen và kim loại kiềm tiếp theo về nguyên tắc thì có thể có một nguyên tố trung gian nào đó chưa được biết đến Vậy có nghĩa là ông đã tiên đoán Như vậy, tính chất của các nguyên tố này như thế nào? Không có cơ sở nào để kết luận, nhưng Mendeleev không lường trước được có một phương án thứ ba: những nguyên tố này sẽ trơ về mặt hóa học

Vào cuối năm 1884, N.A.Morozop bị chính quyền nhà vua bắt cầm tù vì tham gia hoạt động cách mạng Nỗi buồn phiền trong nhà tù giúp ông làm quen với hệ thống bảng tuần hoàn của Mendeleev Tương tự như phương án thứ hai của Mendeleev ông đã lập ra một bảng gồm tám hàng dọc với các loại cacbuahiđrô cũng như gốc của chúng và bảy hàng ngang Thật ngạc nhiên là ông rút ra một kết luận không ngờ: các hợp chất cacbuahiđrô trơ về mặt hóa học (kém hoạt hóa) N.A.Monozop dự đoán rằng trong thiên nhiên tồn tại những nguyên tố trơ, chúng phải là những chất khí và nên tìm chúng trong không khí

Ngày 24 tháng 10 năm 1868 trong phiên họp của viện hàn lâm khoa học Pari, họ đã thông báo rằng trong phổ của phần lõi Mặt Trời có một vạch vàng và kết luận rằng nó thuộc về một nguyên tố đặc biệt trên vũ trụ người ta gọi đó là Heli tên của Mặt Trời thời

cổ đại

Trong thập niên của những năm 1880, D Relay - nhà Vật lý học người Anh - đã

nghiên cứu tỷ trọng của các chất khí Sau đó, Ramsay tiếp tục nghiên cứu thật tỉ mỉ những vấn đề của Relay Ông lấy một lượng xác định không khí, đuổi hết oxi và nito, thu được một ít cặn Ông cho cặn đó vào ống thủy tinh, cho dòng điện chạy qua, dùng kính quang phổ quan sát cặn khí này bị đun nóng Ông thấy một vạch mới không giống với một trong những nguyên tố đã phát hiện Điều đáng nói là nó không có chỗ trong bảng hệ thống tuần hoàn

Cuối cùng, ông nảy ra một ý nghĩ rằng có thể bảng hệ thống tuần hoàn đã bỏ qua một cột dọc các nguyên tố vì Mendeleev không có chìa khóa để cho phép ông đưa ra cột

ấy Ông đặt tên các chất khí do mình khám phá ra là Agon (nghĩa là “trơ”) bởi vì nó không màu, không mùi vị, không tham gia phản ứng

Một năm sau, Ramsay lại khám phá ra chất khí mới trong lúc đun nóng một quặng

kí hiếm là Cleveite Nó hoàn toàn giống phổ của Heli quan sát ở Mặt Trời, tiếp tục nghiên cứu cùng với cộng sự Treve (sinh viên của ông) đã thu được Heli từ không khí Trong vòng một thời gian rất ngắn sau đó, họ đã khám phá ra 3 nguyên tố mới có tên gọi là: Neon (nghĩa là “mới”), Cripton (nghĩa là “ẩn nấp”), và Xeon (nghĩa là “không quen biết”)

He Ne Ar Kr Xe Rn Năm 1901, Exơ Đôn khám phá ra chất khí trơ cuối cùng Đôn khẳng định chất khí được tạo ra do sự phân rã phóng xạ của Rađi là thành viên cuối cùng và là nguyên tố nặng nhất của họ khí trơ, người ta gọi nó là Rađon

Phương pháp suy luận của N.A.Monozop và Ramsay đã thành công trong việc tiên đoán những điều mà ngay chính tác giả chưa làm được một cách hoàn chỉnh Có lẽ các nguyên tố này rất hiếm trên Trái Đất nên nó bị phát hiện khá muộn và chưa có một nguyên tố nào được khám phá trước Mendeleev Một số nhà bác học không tin vào hệ

thống của D.I.Mendeleev đã cố gắng giải thích những phát minh của các nguyên tố khí trơ như một đòn đánh vào hệ thống của Mendeleev hay là một sự cải chính đối với hệ thống này Mendeleev đã gọi các nhà bác học phát minh ra những nguyên tố mà ông đã

dự đoán là “những người củng cố” định luật tuần hoàn Sự phát minh ra các nguyên tố khí trơ đã bổ sung cho hệ thống tuần hoàn các nguyên tố của Mendeleev bằng các nguyên

tố kết thúc chu kỳ, chúng là những nguyên tố chiếm vị trí trung gian giữa những á kim điển hình và những kim loại điển hình

Cuối cùng, cuối thế kỉ XIX, niềm vinh quang danh tiếng khắp thế giới đã đến với D.I.Mendeleev, khi định luật của ông được củng cố đầy đủ Định luật tuần hoàn là định luật hoàn toàn mới, một định luật của tự nhiên được xây dựng chặt chẽ Thật vậy, vinh quang nào cũng phải trải qua đắng cay, thử thách; cái chính là họ có vượt qua được nó hay không? Có biết bao thử thách mà bảng tuần hoàn phải trải qua, sau mỗi lần như vậy bảng hệ thống tuần hoàn của Mendeleev càng trở nên vững vàng, toàn diện hơn

4.2 CHẾ TẠO VÀ PHÁT HIỆN CÁC NGUYÊN TỐ MỚI

Đầu thế kỉ XX (1937) tổng số các nguyên tố được biết đến lúc bấy giờ là 88 Urani nằm ở ô 92 là nguyên tố nặng nhất trong các nguyên tố; từ đó rút ra rằng trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev còn bốn ô tương ứng với số thứ tự 43, 61, 85, 87 Mọi cố gắng phát hiện những nguyên tố này trong tự nhiên đều không đạt kết quả

Những ô trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev mãi đến thời kỳ 1937 - 1940

mới được lấp đầy

Và trong 4 nguyên tố này thì có 3 nguyên tố thu được bằng con đường nhân tạo, nhờ các phản ứng hạt nhân Chỉ có nguyên tố nằm ở ô 87 là được tìm thấy trong tự nhiên Chúng ta cùng tìm hiểu xem các nguyên tố đó được điều chế như thế nào?

4.2.1 Tecnơxi ( Tc)

Nguyên tố này có trong tự nhiên với một lượng rất nhỏ, mãi đến năm 1937 bằng con đường nhân tạo thì điều đó mới được xác định chắc chắn Nguyên tố này hoàn toàn không có trong tự nhiên, chính là do nó không bền, tức có tính “phóng xạ” Hình như có một quy luật lần đầu tiên được Sucarév phát hiện Theo quy luật này thì không thể tồn tại những đồng lượng (những nguyên tố có cùng khối lượng), mà cả hai đều bền, nghĩa là một trong hai chúng phải không bền

Xét hai nguyên tố lân cận về số thứ tự trong bảng tuần hoàn, thì nguyên tố ở ô 43 cần phải có khối lượng nguyên tử vào khoảng 99, là giá trị trung gian giữa khối nguyên

tử các nguyên tố lân cận theo hệ thống: ô 42 là Molypden (Mo) (95,95) và nguyên tố ô 44

là Rutêni (Ru) (107,7) Những đồng vị có thể có của ô 43 cần phải có số khối gần số 99, nằm trong khoảng 96 → 102

Hơn thế nữa, tất cả các ô số, cả hai phía số 99 và cả số 99 đều được chiếm bởi những số khối các đồng vị bền hoặc là của Molypden hoặc của Rutêni

Bởi vậy đồng vị của nguyên tố ô 43 này phải không bền Nguyên tố này được điều chế ở Mỹ bằng cách bắn phá các đồng vị Molypden có số khối từ 94 → 97 bởi các đơtêron:

Nguyên tố này được E.Xêgre và K.Periê phát hiện và nó được gọi là Tecnexi (Tc)

để chào mừng sự thành công của kỹ thuật Khi ở trong phân nhóm Mangan (Mn), Tecnexi (Tc) giống Mangan (Mn) và càng giống Reni hơn

Số khối của đồng vị bền nhất trong các đồng vị của nó là 99

4.2.2 Prômêti (Pm)

Nguyên tố ô 61 là nguyên tố thứ tư trong số các Lantanit, không có trong tự nhiên nhiên do tính phóng xạ giống như Tecnexi

Hai nhà bác học M.Pun và L.Kvin đã điều chế được nguyên tố nhân tạo khoảng năm 1938, bằng cách bắn phá các đồng vị của Nêodi bởi các đơtêron:

Với A là số khối, nhưng các nhà bác học này không thành công khi tách và xác định bản chất của nó Năm 1947 L.Glendennhin và I.Marinski (người Mỹ) đã phát minh ra Nêodi, từ sản phẩm phân chia Urani trong lò hạt nhân Họ đặt tên nguyên tố này là Prômêti (Pm), để tỏ lòng kính trong người anh hùng Prômêtê trong thần thoại Hy Lạp

là đồng vị bền nhất, thường có hóa trị 3 và giống Lantan

4.2.3 Atatin (At)

Vị trí của nguyên tố này là ô 85, Mendeleev đã tiên đoán năm 1870 với tên gọi là Êcaiôt, thuộc họ Halogen (giống Iôt) Atatin được xem là nguyên tố phóng xạ, bởi vì hạt nhân của nó lớn hơn của Bitmut

Nhiều nhà bác học đã kiên trì nghiên cứu tìm nguyên tử này trong tự nhiên nhưng mãi không tìm được

Đến năm 1940, nguyên tố được tổng hợp nhân tạo tại Mỹ, do D.Cocxơn, K.Mackenzi và E Xêgre Các nhà bác học này dùng tia để bắn phá hạt nhân Bitmut

Bi + He → 2 E + At Nguyên tố này được đặt tên theo tiếng Hy Lạp có nghĩa là không bền, có chu kỳ phân hủy 7,5 giờ và số khối là 211 Tuy lượng sản phẩm rất ít, nhưng các nhà khoa học này đã nghiên cứu được một số tính chất hóa học và nhận thấy nó giống Iôt, tính kim loại thể hiện yếu

Họ tìm ra một đồng vị nữa là At là đồng vị bền nhất, có chu kỳ phân hủy lớn hơn một ít là 8,3 giờ Cũng vào thời gian này, các nhà khoa học Áo thuộc viện Rađi Viên đã thành công trong việc tìm Atatin trong tự nhiên

Để giải thích điều này, chúng ta lưu ý rằng khi nghiên cứu các dãy phóng xạ tự nhiên (hai dãy Urani và Thori) thì trong số những đồng vị phóng xạ trung gian, cũng thấy xuất hiện đồng vị 215At với chu kỳ phân hủy 10-4 giây; 216At với chu kỳ phân hủy 3.10-4giây… Cho đến nay đã biết được 20 đồng vị Atalin, phần nhiều có chu kỳ phân hủy rất

bé Lớn nhất là đồng vị 210 với chu kỳ phân hủy 8,3 giờ

4.2.4 Franxi (Fr)

Khác với ba nguyên tố đứng trước nó, không được phát hiện bằng phản ứng hạt nhân Ô số 87 là ô trống cuối cùng trong bảng các nguyên tố tính từ Hiđrô đến Urani Nguyên tố Franxi (Fr) thuộc dãy kim loại kiềm Nó được tìm thấy vào năm 1939, khi nghiên cứu cẩn thận các sản phẩm phân rã phóng xạ hạt nhân đồng vị Actini có số khối

227 Vinh dự phát minh ra nguyên tố này là nữ bác học Magarit Perê người Pháp và bà gọi nguyên tố này là Franxi để kỷ niệm quê hương của mình Bà nghiên cứu rất chi tiết tính chất phân hủy phóng xạ của các hạt nhân đồng vị Actini Ac Trước bà nhiều người cho rằng đồng vị này chỉ phát ra tia β (tia điện tử) Nhưng Perê quan sát thấy rằng trong 1000 trường hợp phóng xạ thì có 12 trường hợp hạt nhân Ac không chỉ phát ra tia β mà còn phát ra tia α theo phương trình:

Ac → He + Fr Như vậy, sự phân hủy hạt nhân đồng vị Actini rất độc đáo vừa cho ra tia β vừa cho ra tia α, số khối đồng vị bền hơn hết của nó bằng 223:

Fr

Th

Chương 5: CÁC NGUYÊN TỐ MỚI

Việc phát minh ra 4 nguyên tố còn thiếu đã cho phép hoàn thiện bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố cho đến Urani Nhưng đó chỉ là những bước đi ban đầu trên con đường tạo ra những dạng mới của vật chất Những thành tựu kế tiếp sau đó, đã đánh dấu

sự thắng lợi rực rỡ của con người trước thiên nhiên và làm chấn động sâu xa đối với toàn thế giới

Việc phát minh ra nguyên tố với số thứ tự lớn hơn 92 đã xảy ra vào năm 1940, nhờ

công trình nghiên cứu của Etvin Macmilan - Giám đốc phòng bức xạ ở Beclây và Philip

K.Aybensơn (P.Abelson) họ đã dùng chùm nơtron để bắn phá Urani và thật sự lần đầu tiên đã phát minh ra nguyên tố mới sau Urani Và sau đó nhiều nguyên tố khác có số thứ

tự khác nhau lần lượt được tìm thấy

Các nguyên tố mới này được tìm thấy như thế nào?

5.1 CÁC NGUYÊN TỐ SIÊU URANI

Riêng Macmilan đã cân nhắc mọi mặt và quyết định làm thực nghiệm để đo quãng đường đi được của những mảnh vỡ

Để làm điều này, ông đã tạo ra một lớp Urani Oxit rất mỏng trên tờ giấy và đặt một màn ảnh rất mỏng bằng vật liệu trung tính, để ghi lại những mảnh vỡ xuất hiện do sự phân chia của hạt nhân Urani Ông đã chọn loại giấy cuốn thuốc lá thông thường và xếp chúng thành một chồng như là một cuốn sổ rất nhỏ trên tờ giấy ngoài, ông cũng phủ lớp Urani Oxit mỏng Cuốn sổ rất nhỏ này cùng với Urani Oxit được dùng làm bìa trong xyclôtrôn Do sự bắn phá bằng nơtron, những mảnh vỡ của Urani sẽ đập vào cuốn sổ và còn xuyên sâu vào bên trong cuốn sổ Điều kiện phải làm sau khi đã chiếu xạ là phải lấy cuốn sổ ra khỏi máy Xyclôtrôn và dùng ống đếm Geiger để đo độ phóng đại của từng tờ giấy mỏng Thí nghiệm đã giúp ông thu được những dữ liệu cần thiết cho mình Nhưng hình như kết quả phụ lại còn quan trọng hơn nhiều, đặc biệt là nếu đem so với mục tiêu thí nghiệm đã đề ra

Kết quả phụ là ở chỗ, tờ giấy thứ nhất vốn đã có Urani thì nay cũng có chứa sản

phẩm phóng xạ với chu kì bán hủy khác hẳn và những tính chất khác hẳn, so với sản

phẩm phân chia đã tìm thấy trong những tờ giấy khác của tấm bìa

Chúng ta hãy tự hỏi, vì sao có thể xảy ra điều này? Vì sao có một số chất phóng xạ

bị giữ lại, còn những chất phóng xạ khác lại xuyên qua được Chắc chắn là, ở đây còn xảy ra các quá trình khác, và ông giải thích như sau:

Chẳng hạn, chúng ta có thể cho rằng, nơtron đã bị nguyên tử Urani hấp thụ chứ không làm vỡ hạt nhân Urani Thật ra, người ta đã biết quá trình này và Urani phóng xạ xuất hiện ở đây chính là sự hấp thụ Như vậy đã xảy ra và trong thực tế đã tìm thấy nó trên tờ giấy đầu tiên Nhưng, ngoài ra còn quan sát được chất phóng xạ khác với chu kỳ bán hủy mới và trước đây chưa hề gặp, và như điều đang nghi vấn; phải chăng đây là một nguyên tố khác, đã xuất hiện do sự phân rã Urani phóng xạ

Để giải quyết vấn đề này, đặc biệt là sự phân biệt chất phóng xạ mới đã lôi cuốn

Philip K.Aybensơn - người bạn và là đồng nghiệp của ông - từ viện Cácnega ở Oasinhtơn

đang nghỉ hè tại BecLây Họ đã thành công việc xác định tính chất hóa học và nó khác hẳn các tính chất của bất kỳ nguyên tố nào mà ta đã biết trước đó Vậy, Neptuni là

nguyên tố mới, với số thứ tự 93 nó được chứa trong chiếc Ampum với kích thước cở đồng tiền 10 xu

Neptuni là tên gọi của nguyên tố thứ 93 để kỷ niệm sao Hải Vương (Neptun), cũng giống như người ta đã đặt tên cho nguyên tố thứ 92 được khám phá năm 1789 là Urani,

để kỷ niệm sao Thiên Vương (Uran) được thiên văn học khám phá trước đó 7 năm

Một cách tự nhiên, chúng ta điều biết, nguyên tố mới phải có nhiều hơn Urani một proton Đối chiếu với định luật tuần hoàn và sự sắp xếp các nguyên tố trong bảng tuần hoàn như đã được thừa nhận thời bấy giờ, thì Neptuni phải có những tính chất giống như Reni và Neptuni có những tính chất gần gũi với các nguyên tố cùng nằm trong một cột dọc với Reni

Trong thực tế, Neptuni chẳng có tính chất gì giống với Reni, mà có nhiều tính chất gần gũi với Urani Thật ra, sự khác nhau giữa Neptuni và Urani là rất ít Và chẳng bao lâu, chính sự việc này đã buộc chúng ta phải xem lại bảng tuần hoàn ở trong vùng sắp xếp các nguyên tố nặng

5.1.2 Plutoni (Pu) (1940)

Sau khi tiến sĩ Aybenson rời Beclay, Macmilan lại tiếp tục ý định tìm kiếm nguyên

tố nặng hơn tiếp theo với số thứ tự là 94 Ông cho rằng: Neptuni phóng xạ electron nghĩa

là hạt nhân của nó đang bị phân rã phóng xạ vì bức xạ electron và cái đó luôn luôn kèm theo hiện tượng chuyển hóa notron thành proton, do đó điện tích của hạt nhân phải tăng lên

n → p + e + v Thêm một proton vào hạt nhân của nguyên tố thứ 93, dĩ nhiên là sẽ cho một nguyên tố mới với số thứ tự là 94 Nguyên tố thứ 94 ắt phải tồn tại và nhiệm vụ bây giờ

là đi tìm nó

G.Sibooc, Atua K.Vatow, Djozep, U.Kenodi và Emilo Segro đã tiếp tục nghiên cứu nguyên tố 94 Thật ra một trong các đồng vị của nguyên tố mới đã nhận ra được lần đầu tiên, chỉ sau khi bắn phá Urani bằng chùm hạt nhân đơtron Cyclotron cỡ 150 cm đặt

ở Beclay, chứ không phải là do chiếu xạ của Urani bằng các notron như Macmilan đã làm Nguyên tố này đứng sau Neptuni và được gọi là “Plutoni” để kỷ niệm sao Diêm Vương vì hành tinh này đứng sau sao Hải Vương

Nếu tưởng tượng hạt nhân Urani dưới dạng những tảng màu đen (là các proton) và những tảng màu trắng (các notron) thì ta có thể có được một hình ảnh giản đơn để mô tả phản ứng hạt nhân như sau:

Macmilan và Aybenson đã thêm một notron vào hạt nhân của Urani, chính điều này đã làm cho hạt nhân trở nên không bền và nó bị phân rã khi một notron trong hạt nhân này phóng ra electron để tự trở thành proton Nhờ vậy mà nguyên tố thứ 93, tức Neptuni được xuất hiện

Rồi sau đó lại một notron của hạt nhân Neptuni phóng ra electron để trở thành một proton, kết quả là tạo ra nguyên tố thứ 94, đó chính là Plutoni Trong ngôn ngữ của vật lý hạt nhân, tính liên tục của phản ứng này có thể viết dưới dạng:

Urani 238 hấp thụ một notron để chuyển thành Urani239 đó là một đồng vị không bền của Urani Chính Urani bức xạ electron và trở thành Neptuni239 Đến lượt Neptuni239lại bức xạ ra một electron và như vậy là ta thu được Plutoni 239

Phản ứng điều chế Plutoni do bắn phá Urani bằng đơtron có thể viết như sau:

5.1.3 Amerixi (Am) (1945) và Curi (Cm) (1944)

Amerixi (Am) chiếm ô 95 và Curi (Cm) chiếm ô 96 đều do nhóm các nhà bác học

Mĩ, đứng đầu là Sibo, tại trường Đại học tổng hợp California

Có hai lý do lấy tên là Amerixi

- Thứ nhất: vì nó giống về tính chất hóa học với nguyên tố đất hiếm tương ứng

trong họ Lantan có tên là Europi (Nếu xếp hai họ Actini thành hai hàng liền nhau, thì sẽ thấy trên Eu và dưới là Am)

- Thứ hai: nguyên tố đất hiếm Europi lấy từ chữ Europe có nghĩa là Châu Âu,

nguyên tố phóng xạ Amerixi lấy từ chữ Amerique có nghĩa là Châu Mĩ

Cũng có hai lý do để lấy tên của nguyên tố tiếp theo (96) là Curi:

- Thứ nhất: đối với họ Lantan sau Europi là Gađolini lấy tên của một nhà hóa học

Phần Lan Gađolin

Đối với họ Actini, sau Amerixi là Curi, lấy tên của hai vợ chồng nhà bác học Curi

- Thứ hai: Gađolini là người mở đầu cho việc nghiên cứu nguyên tố đất hiếm

Ông bà Curi là người mở đầu cho việc nghiên cứu phóng xạ Nguyên tố Cm rất giống nguyên tố Cd

Amerixi được tìm ra dưới dạng đồng vị 241Am bằng cách dùng tia α bắn phá hạt nhân Urani 238 để có Plutoni 241

Đồng vị Plutoni này phát ra tia β và biến thành đồng vị 241Am

Chú ý: nguyên tố Curi có ký hiệu là Cm, bởi tên La tinh của nó là Carium

Amerixi kim loại lần đầu tiên (1951) được diều chế ra bằng cách dùng kim loại Bari khử AmF3 ở 11000C Để nghiên cứu nguyên tố này các nhà bác học chỉ có trong tay

5.1.4 Nguyên tố Beckeli (Bk) (1950) và Califoni (Cf) (1950)

Beckeli (ô 97) là tên gọi của thành phố Beckeli (Mỹ) nguyên tố này có tính chất hóa học giống với nguyên tố đất hiếm tương ứng Tecbi Tecbi là một thành phố của Thụy Điển Nguyên tố Califoni (ô 98) là lấy theo tên của bang Califonia (Mỹ)

Năm 1950, nhóm các nhà khoa học Mỹ đứng đầu là Sibo thông báo về việc tổng hợp được thêm hai nguyên tố Beckeli và Califoni Họ dùng tia α bắn vào hạt nhân đồng

vị 242Am và 242 Cm

Am + He → Bk + 2 n

Cm + He → Cf + 2 nChúng có chu kỳ bán hủy rất ngắn 243Bk (4,6 giờ); 244Cf (45 phút) Để có được hai nguyên tố này các nhà khoa học phải mất nhiều năm liền mới thành công Các ông đã phải tổng hợp một số lượng tối thiểu cần thiết bia bắn Phải tính toán lý thuyết chu đáo để

dự đoán những khả năng có thể xảy ra những đồng vị với chu kỳ bán hủy của chúng

Như đã nói bia bắn ở đây là đồng vị 241Am và 242Cm Cả hai đồng vị này đều phát

ra tia α khi phóng xạ Cho nên làm việc với chúng phải rất thận trọng

Trong số 9 đồng vị của nguyên tố Beckeli có một đồng vị Backeli – 247 có chu kỳ bán hủy là 1380 năm, mãi đến năm 1956 mới tổng hợp được Và đến năm 1971 mới điều chế ra được kim loại Califoni Mặc dù với lượng vô cùng bé, các nhà khoa học đã nghiên cứu được tính chất hóa học của Califoni, nó giống với nguyên tố đất hiếm tương ứng Dybozi

Phương pháp tách chiết hai nguyên tố này dựa trên sắc kí trao đổi ion

5.2 CÁC NGUYÊN TỐ PHÓNG XẠ NHÂN TẠO

5.2.1 Nguyên tố Ensteni (Es) và Fecmi (Fm)

Các nguyên tố thứ 99 và 100 đã được phát minh ra ở phía Nam Thái Bình Dương Tháng 11 năm 1952, Hoa Kỳ đã tiến hành một vụ nổ hạt nhân cực mạnh, đó là vụ gây nổ nhiệt hạch lần đầu tiên với qui mô rất lớn, gây ra bởi phản ứng dây chuyền

Trên khu vực của hòn đảo làm thí nghiệm gây nổ nhiệt hạch đã tạo ra một hố hình phiễu rộng khoảng một dặm mây phóng xạ đã dâng cao khoảng mười dặm với đường kính hàng trăm dặm

Các máy bay không người lái đã được phái tới đám mây phóng xạ để lấy mẫu cho việc phân tích trích trong phòng thí nghiệm, vì dựa vào kết quả phân tích có thể biết được những gì đã xảy ra trong khi làm nổ nhiệt hạch

Những nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đã chỉ rằng, với quan điểm khoa học thì

họ gặp một trường hợp ít khác thường Urani có trong thành phần của thiết bị nhiệt hạch

đã có khả năng hấp thụ rất nhiều notron, tới 17 notron Trọng lượng nguyên tử của Urani238 giờ đây tăng vọt lên tới 255

Đồng vị cực nặng của Urani bị phân hủy phóng xạ để liên tiếp tạo thành những nguyên tố nặng hơn đứng sau Urani kể cả những đồng vị của nguyên tố thứ 99 và 100

Hàng loạt các phản ứng này có thể viết một cách vắn tắt như sau:

Việc trước tiên là phải xử lý các mẫu vật có chứa sản phẩm phóng xạ bằng các

phương pháp hóa học Mẫu vật là những tờ giấy lọc đem dùng làm màng lọc cho hệ

thống máy hút đặt trên máy bay không người lái qua các đám mây phóng xạ

Song để thu được các nguyên tố mới với một lượng đủ lớn, các nhà nghiên cứu đã

phải xử lý hàng tấn San Hô khai thác tại nơi đã xảy ra vụ nổ nhiệt hạch

Việc phát minh ra các nguyên tố thứ 99 và 100 được coi là đặc trưng cho những

nghiên cứu trong những năm 50 của thế kỷ này, là kết quả của sự hợp lực giữa các nhà

bác học thuộc các phòng thí nghiệm khác nhau

5.2.2 Nguyên tố Menđelevi (Md)

Menđelevi là một nguyên tố mới, đã thu được bằng cách bắn phá Ensteni với chùm

hạt nhân Heli Phản ứng hạt nhân được viết như sau:

Es + He → Md + nMenđelevi chiếm ở ô 101, đã được tổng hợp và nhận biết ở Beclay vào đầu năm

1955 do Anbec Ghiooxo, Becna Dj.Hacvay, Grigori R.Choppin, Stenli J.Thomson và

Gonlen Sibooc Họ đã thực hiện phản ứng này trong Cyclotron trong đó chùm hạt nhân

Heli đập vào một tấm bia không lớn Bia đó là một cái màng tròn bằng vàng rất mỏng,

mặt sau của màng được phủ một lớp Ensteni chứa không quá vài tỉ nguyên tử của nó, mắt

thường không phân biệt được và được chế tạo bằng phương pháp điện phân

Nếu như có một vài nguyên tử Ensteni chuyển thành Menđelevi do sự bắn phá, thì

khi va chạm với chùm hạt nhân Heli, chúng sẽ bật ra khỏi bia Ở phía sau bia có đặt một

màng mỏng bằng vàng để hấp thụ các nguyên tử của nguyên tố mới, mỗi khi chúng bay

ra khỏi bia

Bia cũng như bẫy được bố trí trong một cái lồng đặc biệt và lồng này được đặt trên

đường đi của chùm hạt bắn phá trong Cyclotron

Những hạt nhân Heli với tốc độ lớn được cung cấp bởi máy Cyclotron cỡ 0,5 m,

đặt tại sân thể thao trường đại học Califonia ở Beclay

Nam châm của Cyclotron buộc các hạt được tăng tốc phải chuyển động trên một

quỹ đạo hình xoắn ốc, vì nó mạnh đủ làm cho chiếc vặn đinh ốc đứng thẳng góc trên đầu

nhọn hoặc là những viên bi nặng bằng sắt được treo lơ lửng trong không khí

Nếu như cho chùm hạt cực mạnh đi qua bìa và thoát ra ngoài không khí, thì ta có

thể nhìn thấy nó dưới dạng một chùm tia sáng mảnh, màu xanh da trời Ta có thể chụp

ảnh được chùm sáng này ngay cả khi đứng sau một lớp nước dày 0,5 m Chính lớp nước

này được dùng làm cửa sổ để nhìn sang buồng đặt máy Cyclotron Đây chính là chùm hạt

đập vào bia để chuyển Ensteni thành Menđelevi, bằng cách ghép hai proton của hạt

nhân Heli vào 99 proton của hạt nhân nguyên tử Ensteni

Trong điều kiện thực tế của thí nghiệm thì toàn bộ buồng đặt máy Cyclotron đã

phải đóng kín mít khi chùm tia đập vào bia Thí nghiệm đầu tiên họ chỉ dám tính toán

thu được một hoặc chỉ có thể là hai nguyên tử của nguyên tố thứ 101 Một hoặc hai

nguyên tử đó phải phân lập được khỏi hàng tỉ nguyên tử Ensteni và phải nhận biết được

nó trong vòng không quá 0,5 giờ

Ngay sau khi chiếu xạ, Griori Choppin đun nóng dung dịch để hòa tan hết tấm

màng bằng vàng - cái dùng để bẫy Cuối cùng họ thu được một chất lỏng chứa vàng, hỗn

hợp của vài nguyên tố khác và rất có thể có một vài nguyên tử của nguyên tố thứ 101, mà

sau này họ đặt tên là Menđelevi

Những giọt dung dịch ấy được đưa tới phòng hóa học hạt nhân đặt trên đồi Beclay

Ở đây Stenli Thomsom cùng với máy móc đã chờ đợi họ để bắt tay vào việc phân lập

nguyên tố thứ 101 ra khỏi Ensteni, vàng và các nguyên tố khác có thể có trong dung dịch Thoạt đầu chất lỏng cho qua cột trao đổi ion để loại vàng; vàng sẽ bị giữ lại trên cột,

trong khi đó dung dịch có chứa Menđelevi sẽ chảy qua và thoát ra khỏi cột Những giọt dung dịch này được sấy khô và lại hòa tan để rồi sau đó Choppin lại tiếp tục cho qua cột thứ hai để phân lập Menđelevi ra khỏi nguyên tố bất kỳ khác có thể còn sót lại trong dung dịch

Những giọt dung dịch này thoát ra khỏi cột được hứng liên tiếp trên những tấm platin nhỏ để sau đó đặt dưới đèn sấy và sấy cho đến khô, chúng được đưa sang “ buồng đếm”, tại đây Ghiooxo lần lượt đặt chúng vào những ống đếm đặt biệt cứ mỗi tấm platin dùng một ống đếm riêng

Căn cứ vào đặc điểm phân rã phóng xạ, mỗi khi có một nguyên tử của nguyên tố bị phân rã, thì lập tức xuất hiện vết “bùng sáng” ở trong máy đếm do sự ion quá mạnh đã xảy ra Xung này của dòng điện gây ra sự dịch chuyển của bút tự ghi và sẽ được ghi lại trên băng giấy

Trong khi làm thí nghiệm đầu tiên họ phải chờ đợi hơn một giờ, cho đến khi bút ghi nhảy vọt đến giữa băng giấy, rồi trở về đường nền vẽ một đường thẳng, nghĩa là đã có

sự phân rã của một nguyên tố Menđelevi được phát minh ra lần đầu tiên Sau đó họ đã làm luôn khoảng một tá thí nghiệm và đã nhận ra tổng cộng chừng 17 nguyên tử của nguyên tố mới

Thông báo đầu tiên về phát minh ra nguyên tố thứ 102 đã xuất hiện vào năm 1957 tại Viện Vật lý mang tên Noben (Stockhom), nhưng các thực nghiệm lặp lại để xác minh cho phát minh này thất bại Tuy nhiên, phòng thí nghiệm bức xạ ở Beclay đã tổng hợp được và nhận biết một cách chắc chắn vào tháng 4 năm 1958 Nguyên tố thứ 102 đã được tổng hợp ra bằng cách dùng những ion Cacbon (hạt nhân gồm 6 proton) để bắn phá Curi (hạt nhân gồm 96 proton)

Tháng 6 năm 1957, một nhóm liên hiệp các nhà khoa học Anh và Mĩ làm việc tại

Viện Vật lý mang tên Nobel (Stockhom - Thụy Điển), thông báo đã tìm ra nguyên tố 102 Theo họ, khi dùng ion của Cacbon - 13 bắn phá đồng vị Curi - 244 thì thu được hai đồng

vị 253102 và 251102 có chu kỳ bán hủy vào khoảng 10 phút Và họ đề nghị lấy tên nguyên

tố là Nobeli (No) Cũng vào thời gian này các nhà khoa học Liên Xô tại Viện liên hiệp nghiên cứu hạt nhân Đupna, và các nhà khoa học Mỹ ở Califonia chứng minh rằng kết quả do Stockhom đưa ra không thể thực hiện được, tức là không thể tồn tại “No” được Chữ “No” trong tiếng Anh nghĩa là “ không”

Một cuộc chạy đua khẩn trương Nhóm Liên Xô do viện sĩ Flerop (G.Flerov) lãnh đạo, nhóm Mĩ do một chuyên gia trẻ Jioxo, nguyên là học trò của Sibo lãnh đạo

Xuất quân đầu tiên trong lĩnh vực tổng hợp hạt nhân lại đúng vào giai đoạn khó

khăn nhất, tuy nhiên Liên Xô đã thành công Trong những năm 1963 - 1967, nhóm của viện sĩ Flerop đã tổng hợp được những đồng vị có số khối 251 - 256 của nguyên tố 102

và họ đề nghị đặt tên cho nguyên tố là Jôliôti (để nhớ ơn nhà Vật lý Pháp Jôliô Curi, người cùng với vợ, lần đầu tiên phát hiện ra hiện tượng phóng xạ nhân tạo) Nhóm Mỹ không thừa nhận tên mới này, mặc dù họ không phản đối những kết quả đưa ra của nhóm Đupna

Hiện nay nguyên tố này có tên gọi là Nobeli (No) Ngày nay 9 đồng vị của nguyên

tố 102 đã được biết, trong đó đồng vị 259102 có chu kỳ bán hủy lâu nhất khoảng 1 giờ