Thực nghiệm lớn của Lavoisier

Posted on April 10, 2010

0


Bất kỳ ai trong chúng ra hiện nay đều hiểu rằng nước được kết hợp từ oxy va hiđro. Thế nhưng ở thế kỷ 18, người ta còn hoàn toàn chưa biết điều này. Chỉ tới năm 1785 , khi Antoine Lavoisier chứng minh bằng thực nghiệm rằng nước là một hợp chất được tạo thành từ hai loại khí: oxy và hiđro thì lịch sử hóa học có thêm một cột mốc mới.

“Nước không phải là đơn chất[…]. Nó có khả năng phân rã cũng như tái tạo lại”. Antoine Lavoisier đã khẳng định như vậy trong bài phát biểu vào ngày 12 tháng 11 năm 1783 trước phiên họp toàn thể của Viện Hàn lâm khoa học Paris. Lời khẳng định này được đưa ra sau khi Antoine Lavoisier tiến hành các thực nghiệm rất tốn kém kéo dài trong nhiều tháng trời và nó hoàn toàn ngược lại với quan niệm của nhiều nhà hóa học thời đó khi cho rằng nước là một đơn chất. Vào tháng 4 năm 1784, Lavoisier tiếp tục đưa ra các kết quả nghiên cứu mới trước Viện Hàn lầm để khẳng định tuyên bố của mình nhưng cộng đồng khoa học lúc đó vẫn tiếp tục nghi ngờ. Không nản lòng, Lavoisier tiếp tục một đợt thực nghiệm lớn diễn ra từ ngày 27/2 cho tới 1/3/1785 trước sự chứng kiến của một hội đồng các nhà khoa học gồm các nhà hóa học lớn của Viện Hàn lâm và nhiều khách mời quan trọng.
Các thực nghiệm này đã chứng minh được rằng nước có thể phân thành hai chất khác nhau sau đó hai chất này với cùng tỉ lệ kết hợp lại với nhau để trở thành nước như ban đầu. Nhằm mục đích khẳng định và củng cố giả thiết đưa ra ban đầu, các thực nghiệm này thực sự đã trở thành một sự kiện, một cột mốc quan trọng trong lịch sử của ngành hóa học. Chúng đã phá vỡ bức màn bao phủ về thành phần tự nhiên của nước và cung cấp các bằng chứng có tính chất quyết định cho quan niệm hóa học của Lavoisier, chống lại lý thuyết nhiên tố vốn rất thịnh hành lúc bấy giờ.
Những thực nghiệm của Lavoisier đã chứng tỏ được rằng tổng khối lượng của các chất khí sử dụng tương
đương với khối lượng của toàn bộ số nước thu được. “Người ta có thể áp dụng nguyên tắc này cho tất cả các hoạt động khác: luôn có một khối lượng giống nhau về chất liệu trước và sau một phản ứng hóa học và tính chất cũng như trọng lượng của các chất này là như nhau và chỉ có sự thay đổi hoặc biến đổi (tính chất) của chất được tạo thành mà thôi”, ông đã viết như vậy trong cuốn Chuyên luận cơ bản về hóa học (Traité élémentaire de chimie) vào năm 1789.
Lúc mới bắt đầu nghiên cứu khoa học, Lavoisier quan sát các chất cháy trong không khí, thí dụ như phốt pho, lưu huỳnh, cacbon, kim loại dễ nóng chảy như chì, thiếc và ông nhận thấy khối lượng của các chất này tăng lên. Điều này chứng tỏ có một cái gì đó trong không khí đã được thêm vào chất đang cháy. Ông tiến hành các thực nghiệm theo giả thiết đó và viết kết quả vào một cuốn sách có tên Cẩm nang về vật lý và hóa học (Opuscule physiques et chimies), xuất bản năm 1774.

“Khí cơ bản” hay oxy
Dù vậy thì Lavoisier vẫn chưa thể xác định, nói cụ thể hơn là cô lập và đặt tên được cái chất có trong không khí thường xuất hiện trong mỗi lần cháy. Mà nó lại được Joseph Priestley, một nhà hóa học tên tuổi người Anh xác định ra vào ngày 1/8/1774 và ông này đặt tên là khí ngược nhiên tố (air déphlogistiqué). Nhiên tố, hay còn gọi là thành phần cơ bản của tính gây cháy là một nguyên lý chi phối sự cháy của các chất. Theo cách lý giải như vậy, không khí chứa một phần khí ngược nhiên tố và đa phần khí nhiên tố. Cách lý giải này dường như phù hợp với các quan niệm của các nhà hóa học lúc đó.
Lavoisier lặp lại các thí nghiệm của Priesley nhưng áp dụng nguyên tắc bảo toàn khối lượng. Bằng việc chấp nhận về mặt chất lượng quan sát của nhà hóa học người Anh, ông nhấn mạnh tới sự không tương thích về trọng lượng mà người ta thấy rất rõ. Ông xác định phần khí tham gia vào sự cháy là phần khí lành nhất hoặc có thể hít được. Ông đặt tên nó là khí cơ bản vào năm 1775 nhưng ông vẫn thường dùng từ khí ngược nhiên tố như cách gọi thông dụng của các nhà hóa học thời bấy giờ.
Nhưng quan niệm của Lavoisier về sự cháy là như thế nào? Theo ông, một chất khí được tạo lên từ một thành phần cơ bản (mà giờ chúng ta gọi là một nguyên tố hóa học) cùng với một chất liệu tạo cháy (matière de chaleur) mà sau này ông đặt tên là chất dinh dưỡng. Như vậy, trên nền của chất tạo cháy này, vào năm 1777, nhà hóa học đặt tên nó là oxygine, một từ có gốc từ tiếng Hy Lạp nghĩa là “chất tạo axit). Thực tế phải tới năm 1787, ông mới sử dụng chính thức cái tên này. Nguyên lý axit đã giúp Lavoisier tạo ra một lý thuyết về hóa học mới và suốt nửa cuối cuộc đời, ông giành thời gian để chứng minh điều này.
Với việc tiến hành ngày càng nhiều thực nghiệm hơn, Lavoisier buộc phải cần làm việc nhóm để tiến hành các thí nghiệm trên những máy móc ngày càng phức tạp và đòi hỏi thời gian nhiều hơn. Ông hợp tác với Pierre Simon Laplace và nhà quân nhân kiêm kỹ sư Bastiste Meusnier vào đầu những năm 1780.
Lúc này, Lavoisier đã đưa ra giả thiết rằng nước được tạo thành từ hai chất: oxy và hiđro. Sau một thực nghiệm phân tách các thành phần của nước vào năm 1784, công việc còn lại của ông là chứng minh giả thiết của mình cùng bằng thực nghiệm tương tự nhưng có thêm phần tái tạo lại nước từ chính các chất vừa phân tách được ra. Đây là một thực nghiệm lớn được tiến hành năm 1785.

Sản xuất hiđro cho khinh khí cầu
Nhưng tại sao Lavoisier lại có được ý tưởng này? Khí hiđro lúc đầu được đặt tên là khí dễ cháy và do nhà hóa học người Anh Henry Cavendish phát hiện ra vào năm 1766. Do có khối lượng cực nhẹ và dễ cháy, người ta đã từng cho rằng hiđro là một thiên tố thuần túy. Rất có khả năng kể từ năm 1781, Cavendish là người đầu tiên thừa nhận rằng nước là sản phẩm duy nhất của khí dễ cháy có trong khí cơ bản mà Friestley đã khẳng định vào năm 1783. Cả hai nhà bác học này giả định rằng khí dễ cháy được tạo thành từ nước và thiên tố, dù nó có là thiên tố thuần túy hay không. Chính vì vậy, họ cho rằng nước được tạo thành khi người ta kết hợp hai chất khí này lại. Vào mùa hè năm 1783, cả Gaspard Monge và Lavoisier đều nhận thấy chỉ có nước được tạo ra từ hỗn hợp của hai loại khí này.

Trong phòng thí nghiệm, người ta tạo ra được khí hiđro từ việc kết hợp axit sulfuric với sắt hoặc kẽm. Nhưng giá của loại axit này khá đắt trong khi người ta cần tới rất nhiều khí hiđro để sử dụng các khinh khí cầu vừa được ra đời. Anh em nhà Montgolfier đã chế tạo ra một quả khinh khí cầu làm từ giấy và được bơm đầy không khí nóng để bay lên không trung Annonay vào ngày 4/6/1783, trước sự chứng kiến của quan khách Vivarais. Sau đó ít lâu, vào ngày 27/8, nhà vật lý Jacques Charles và anh em nhà Robert đã sản xuất được các khí cụ để có thể đưa khinh khí cầu hiđro bay lên không trung khu vực Champ-de-Mars. Lúc đó người ta rất hoan hỉ vì chế tạo được khinh khí cầu và các quả bóng khí cầu được sử dụng rộng rãi trong trang trí và nhà hát như là một mốt thịnh hành. Trước tình hình này, Viện Hàn lâm khoa học đã thành lập liên tiếp hai ủy ban trong đó có sự tham gia của Lavoisier. Với sự giới thiệu của Lavoisier, Meusnier cũng tham gia các ủy ban này và hai nhà khoa học đã chứng minh được rằng khi phun khí nóng vào sắt thì sẽ tạo ra được rất nhiều khí dễ cháy. Quan sát này đã khiến Lavoisier nghĩ tới việc tiến hành thực nhiệm chi tiết hơn trên nước nhằm mục đích phân tích và tổng hợp nước.
Mục tiêu của thực nghiệm lớn chưa từng thấy này lúc đầu là phân tích thành phần của nước khi tác động với sắt-thực chất là hơi nước nóng tác động với sắt tạo ra oxit sắt và giải phóng khí hiđro. Sau đó, đốt khí hiđro trong oxy để tổng hợp nước trở lại. Khối lượng của các chất tham gia phản ứng và chất tạo thành phải tương đương với nhau trong hai thực nhiệm. Từ thực nghiệm này, Lavoisier khẳng định rằng nước không phải là một sản phẩm đơn chất.

Biên bản sơ sài và người vô danh
Meusnier là người được giao nhiệm vụ viết biên bản chi tiết của hai cuộc thực nghiệm nhưng vì là quân nhân, vào cùng thời điểm đó, ông nhận lệnh dẫn quân đi bảo vệ khu vực công trình cảng Cherbourg. Thời gian quá gấp gáp khiến ông không hoàn thành được biên bản hai cuộc thực nghiệm như Lavoisier mong muốn. Tuy nhiên, một bản báo cáo khác xuất hiện vào ngày 27/2/1786 trong một tạp chí khoa học mới ra đời, tờ báo Journal polytype. Biên bản này, rất có khả năng do Lavoisier viết, mở đầu bằng việc nhận định phương pháp tiến hành thực nghiệm khoa học, sau đó nhắc tới các khám phá của Cavendish, Monge và các nhà khoa học khác. Tác giả của báo cáo cũng miêu tả chi tiết việc phân tách nước, việc tiến hành đốt khí hiđro, các dụng cụ thí nghiệm, các biện pháp an toàn, các nghiên cứu tiến hành trước thực nghiệm và kết quả cũng như bình luận các kết quả này.
Biên bản này chắc hẳn đã được đánh máy rất vội vã do vậy có rất nhiều lỗi in ấn và nó sau này được viết lại rõ ràng hơn vào năm 1892 trong quyển V của bộ sách Các tác phẩm của Lavoisier. Trong lần tái bản này, nhiều thuật ngữ như oxy, hiđro, oxy hóa… đã được sử dụng và chúng hoàn toàn khác lạ so với bản gốc. Tuy nhiên, chúng lại là tất cả những gì mà Lavoisier muốn đưa ra giúp các nhà khoa học thời đó hiểu rõ hơn về các công việc mà ông đã thực hiện.
Chính vì vậy, rất nhiều nhà hóa học lúc đó đã nhanh chóng theo và bảo vệ học thuyết của Lavoisier, thí dụ như Claude Berthollet, Louis Guyton de Morveau, Antoine de Fourcroy..

Nguồn tin: Lược dịch từ Pour la Science No 336-10/2005

Advertisements