Những con số làm nên vũ trụ - Phần 27

Amedeo Avogadro và Stanislao Cannizzaro

Kết quả của bài toán đi tìm trọng lượng nguyên tử tương đối đến từ sự nỗ lực của hai nhà khoa học người Italy. Trớ trêu thay, Avogadro thường không được xem là nhà hóa học, bất chấp vai trò nòng cốt của Avogadro trong sự phát triển của hóa học hiện đại. Đúng vậy, Avogadro là giáo sư toán học và vật lí học trong phần lớn cuộc đời sự nghiệp của ông, nhưng danh tiếng của ông nằm ở một bài báo mà ông công bố vào năm 1811, với tiêu đề dài lê thê “Về việc xác định tỉ lệ ở các hợp chất theo số lượng và sự sắp xếp tương ứng của các phân tử tạo nên những hạt nguyên của chúng”. Sự công bố kết quả khoa học hồi đầu thế kỉ mười chín không thuận lợi như ngày nay – không có Internet để viết blog, không có máy tìm kiếm để nghịch vui – vì thế bài báo này cùng với tựa đề phát mệt của nó chẳng được mấy ai chú ý tới. Tệ thật, vì Avogadro đã phát triển một nhân tố cơ bản có thể thúc đẩy sự phát triển của hóa học bởi sự cho phép các nhà hóa học tính ra chính xác trọng lượng nguyên tử tương đối của các nguyên tố.

Nhân tố cơ bản đó chứa trong giả thuyết của Avogadro, giả thuyết phát biểu rất đơn giản: ở cùng một nhiệt độ và áp suất, những thể tích chất khí bằng nhau chứa số lượng phân tử bằng nhau – chứ không chứa số lượng nguyên tử bằng nhau. Sự khác biệt giữa nguyên tử và phân tử là không rõ ràng đối với Dalton và những nhà khoa học khác thuộc thời đại đó. Dalton nhận ra rằng phân tử là đơn vị cơ bản không thể phân chia cho các hợp chất hóa học, nhưng ông không nhận ra rằng đối với một số nguyên tố, ví dụ như hydrogen, nitrogen, và oxygen, các nguyên tử thuộc cùng một nguyên tố sẽ tạo liên kết với nhau, mang lại cho chúng ta những phân tử hai nguyên tử của hydrogen, nitrogen, và oxygen, chẳng hạn. (Thật vậy, khái quát hơn, ông nghĩ nguyên tử là những hạt không thể phân chia, cái không bị bác bỏ rõ ràng mãi cho đến khi Otto Hahn và Fritz Strassmann phát hiện sự phân hạch của uranium thành barium vào năm 1938). Chúng ta đã thấy cấu trúc sai lầm của ông cho phân tử nước đã mang lại một xác định không chính xác cho trọng lượng nguyên tử của oxygen như thế nào. Vấn đề này được khắc phục bởi giả thuyết của Avogadro và phương pháp luận mà nó đề xuất.

Thí nghiệm quan trọng là cho kết hợp hai lít (hay bất kì thể tích cố định nào) hydrogen với một lít oxygen; miễn là hai thể tích đó ở áp suất và nhiệt độ như nhau, cái thu được là hai lít hơi nước ở áp suất và nhiệt độ cũ. Giả thuyết của Avogadro là những thể tích chất khí bằng nhau chứa số lượng phân tử bằng nhau; hệ quả là số phân tử nước lúc kết thúc bằng số phân tử hydrogen lúc bắt đầu, và số phân tử nước nhiều gấp đôi số phân tử oxygen. Do đó, mỗi phân tử nước chứa số nguyên tử hydrogen nhiều gấp đôi số nguyên tử oxygen, nghĩa là dạng thức đơn giản nhất cho một phân tử nước là công thức H₂O mà ta đã biết. Kết quả này cho phép người ta tính ra trọng lượng nguyên tử chính xác cho oxygen, nó không phải bằng tám lần trọng lượng nguyên tử hydrogen, như Dalton đã tính sai, mà gần bằng mười sáu lần. Thật vậy, Avogadro đã thật sự thực hiện phép tính này, cho kết quả chừng bằng mười lăm lần.

Còn có một suy luận khác, tinh vi hơn có thể thực hiện từ định luật Avogadro. Nếu thể tích hydrogen và oxygen là tập hợp các đơn nguyên tử chứ không phải những phân tử lưỡng nguyên tử, thì phản ứng hóa học mô tả ở trên sẽ tạo ra số phân tử nước bằng số nguyên tử oxygen – nghĩa là, sẽ có một lít hơi nước, chứ không phải hai lít. Lối thoát của nan đề này là giả sử mỗi phân tử hydrogen gồm hai nguyên tử hydrogen và mỗi phân tử oxygen gồm hai nguyên tử oxygen. Rồi hai phân tử hydrogen sẽ gồm bốn nguyên tử hydrogen, một phân tử oxygen gồm hai nguyên tử oxygen, và phản ứng thu được sẽ tạo ra hai phân tử nước. Mỗi phân tử nước gồm hai nguyên tử hydrogen và một nguyên tử oxygen, và hai phân tử nước sẽ gồm bốn nguyên tử hydrogen và hai nguyên tử oxygen, một suy luận chính xác của việc tính toán nguyên tử.

Avogadro hoàn toàn nhận thức được những hệ quả của giả thuyết của ông. Như ông trình bày trong bài báo hạt giống của ông, “Từ giả thuyết này, rõ ràng chúng ta có các phương tiện xác định rất dễ dàng khối lượng tương đối của phân tử của các chất có thể thu được ở trạng thái khí, và số lượng tương đối của những phân tử này trong hợp chất; tỉ số khối lượng của các phân tử khi đó bằng tỉ số mật độ của những chất khí khác nhau ở cùng áp suất và nhiệt độ, và số lượng tương đối của các phân tử trong một hợp chất được cho biết một lần bởi tỉ số thể tích của các chất khí tạo nên nó.”

Lịch sử khoa học có thừa những tiến bộ không được nhận ra lúc chúng được công bố, và đóng góp của Avogadro vẫn chìm trong bóng tối trong gần nửa thế kỉ. Trong quyển tóm tắt kinh điển gồm bốn tập Lịch sử Hóa học, xuất bản từ năm 1843 đến 1847, của nhà hóa học và sử học người Đức Hermann Kopp, không có mục nào nói tới nó. Thật vậy, khi Avogadro qua đời vào năm 1856, bản cáo phó đăng trên tập san Nuovo Cimento cũng không có nhắc tới nó! Chính nhờ những nỗ lực của người đồng chí người Italy, Stanislao Cannizzaro, đã mang sự chú ý đến cho nhiều bài toán mà giả thuyết của Avogadro đã giải xong.

Có lẽ giả thuyết của Avogadro đã đi trước thời đại của nó, và các nhà hóa học thuộc thời đại đó vẫn chưa quen phân tích hóa học theo khái niệm nguyên tử và phân tử để nhận ra sức mạnh của nó. Có lẽ vì Avogadro không được những người đương thời của ông nhìn nhận là một nhà hóa học. Mặt khác, Cannizzaro là một nhà hóa học có địa vị nhất định. Ông đã phát hiện ra một loại phản ứng khác lạ, ngày nay gọi là phản ứng Cannizzaro, cho nên có lẽ các đồng nghiệp của ông sẵn lòng nghe ông phát biểu hơn. (Phản ứng Cannizzaro nằm ngoài phạm vi của quyển sách này, nhưng nó có liên quan – đối với những độc giả quen thuộc với hóa học – đến việc vừa khử vừa oxy hóa một loại hóa chất để có hai loại hóa chất khác.) Tuy vậy, tôi thật sự không biết làm thế nào hóa học có thể tiến bộ đến mức có thể có một phân tích của một phản ứng phức tạp như thế mà không khai thác tính rõ ràng và sức mạnh của giả thuyết của Avogadro.

Hai năm sau bản cáo phó của Avogadro trên tập san Nuovo Cimento không nhắc tới giả thuyết trên, Cannizzaro đã cho công bố một bài báo trên tập san đó trong đó ông phát biểu lại giả thuyết trên và trình bày cách nó giải quyết nhiều bài toán hóc búa mà các nhà hóa học đang đối mặt. Lần này, thế giới hóa học đã sẵn sàng đón nhận nó. Như nhà hóa học lỗi lạc người Đức Julius Lothar Meyer sau này đã viết, “Giả thuyết của Avogadro có tầm ảnh hưởng đặc biệt lớn đối với sự phát triển của các lí thuyết hóa học… Từ các định luật Avogadro đánh dấu sự ra đời của một lí thuyết hóa học khái quát, một lí thuyết giải thích cấu tạo nguyên tử và đa phần tính chất của các hợp chất.”