Sự tồn tại của phân tử
- Nội dung phát hiện: phân tử là một nhóm các nguyên tử liên kết với nhau. Dựa vào nguyên tử có thể xác định được bất kì một loại nguyên tố nào trong hơn 100 nguyên tố cấu thành nên các hành tinh. Các liên kết nguyên tử khác nhau liên kết lại sẽ tạo thành phân tử, dựa vào phân tử có thể xác định được bất kì một loại vật chất nào trong số muôn vàn vật chất đang tồn tại.
- Người phát minh: Amedeo Avogadro.
Tại sao phát hiện ra sự tồn tại của phân tử lại có tên trong 100 phát hiện khoa học vĩ đại nhất trong lịch sử?
Nếu như nguyên tử là thành phần cơ bản của các loại nguyên tố thì phân tử là thành phần cấu tạo nên tất cả các loại vật chất trên trái đất của chúng ta. Các nhà khoa học không thể tưởng tượng chính xác, chưa nói đến đo tính được các loại hạt siêu nhỏ như nguyên tử và phân tử, chính điều này đã làm cho những nghiên cứu của họ giậm chân tại chỗ. Rất nhiều người suy đoán những lại hạt siêu nhỏ này (họ gọi là nguyên tử) là những hạt nhỏ nhất, là đơn vị có bản nhất của mỗi loại nguyên tố. Thế nhưng những vật chất xung quanh chúng ta lại không phải do những nguyên tố đơn nhất cấu tạo nên. Các nhà khoa học cảm thấy vô cùng mất phương hướng khi phải giải thích tính chất cơ bản của vật chất.
Phát hiện của Amedeo Avogadro đã giúp con người cơ bản sáng tỏ mối quan hệ giữa vài triệu loại vật chất trên trái đất với số lượng không nhiều các loại nguyên tố cơ bản . Phát hiện của ông còn góp phần cải tiến những lý luận khoa học đã có, cuối cùng ông đưa ra kết luận: số lượng phân tử có trong mỗi lít khí ở cùng một điều kiện nhiệt độ và áp suất giống nhau là như nhau. Từ đó các nhà khoa học có thể dùng chất khí để tiến hành các tính toán có liên quan đến chất khí, họ cũng sáng tỏ được tính chất của vật chất. Phát hiện của Amedeo Avogadro đã trở thành một trong những nền móng quan trọng của hóa học hữu cơ và vô cơ, đồng thời nó cũng góp phần thúc đẩy sự phát triển của hóa học lượng tử và định luật chất khí.
Phân tử đã được khám phá ra như thế nào?
Mùa xuân năm 1811, ở tuổi 35, giáo sư Amedeo Avogadro đang chau mài lật từng trang luận văn đặt trên bàn trong lớp học. Amedeo Avogadro dạy các môn khoa học tự nhiên ở Học Viện Vercelli thuộc thị trấn Turlin của Italia. Hàng ngày có 25 sinh viên ngồi nghe bài giảng của giáo sư Amedeo Avogadro, họ thảo luận, trắc nghiệm và trao đổi với nhau những vấn đề khoa học cùng quan tâm.
Ngày hôm đó, Amedeo Avogadro đọc trước lớp một bài luận văn và ông tuyên bố mình đã phát hiện ra bí mật nằm trong đó, ông yêu cầu các sinh viên nghĩ cách tìm ra bí mật đó.
Trong bài luận này, hai nhà khoa học Dalto người Anh và Gay Luccac người Pháp đã lần lượt miêu tả thí nghiệm của họ dùng nguyên tử hydro kết hợp với nguyên tử oxy. Họ đều đề cập đến việc dùng 2 lít khí hydro và 1 lít nguyên tử oxy tạo ra 2 lít hơi nước. Dalto chỉ ra thí nghiệm của ông đã chứng minh nước là hợp chất của 2 nguyên tử hydro và 1 nguyên tử oxy. Gay Lussac cho rằng thí nghiệm của ông đã chứng minh số nguyên tử của bất kỳ 1 lít chất khí nào cũng bằng với số nguyên tử có trong 1 lít các chất khí khác.
Những nghiên cứu này đã báo trước một bước đột phá quan trọng của việc nghiên cứu hóa học. Nhưng khi giáo sư Amedeo Avogadro đọc luận văn thứ nhất, ông đã phát hiện ra trong đó có mâu thuẫn và mâu thuẫn đó cứ quanh quẩn trong đầu óc ông.
Dalto và Gay Lussac khi bắt đầu tiến hành đều có 2 lít hydro và 1 lít oxy, như vậy tổng cộng có 3 lít khí. Vậy mà sau khi hoàn thành thí nghiệm thì lại chỉ thu được có 2 lít hơi nước. Nếu như số lượng nguyên tử trong mỗi lít khí là cố định không thay đổi thì toàn bộ số nguyên tử trong 3 lít khí kia đã làm thế nào giảm xuống còn có 2 lít hơi nước?
Tiếng chuông đồng hồ trong nhà thờ ở Turin vang lên báo hiệu đã nửa đêm, trong khi đó Amedeo Avogadro vẫn suy ngẫm để tìm ra lời giải. Dalto và Gay Lussac đã dùng sai từ chăng? Nếu như dùng “một nhóm các nguyên tử liên kết lại với nhau” để thay cho từ “nguyên tử” thì sẽ thế nào?
Và Amedeo Avogadro đã nghĩ ra một từ: “molecule” (phân tử) để thay cho “một nhóm các nguyên tử liên kết lại với nhau”, (từ phân tử có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp, ý nghĩa của nó là tự do vận động trong chất khí). Amedeo Avogadro ngồi tính toán ghi chép lại nhiều lần cho đến khi ông tìm ra cách giải thích được tất cả các nguyên tử trong thí nghiệm của Dalto và Gay Lussac.
Nếu ví dụ mỗi phân tử hydro chứa 2 nguyên tử hydro, mỗi phân tử oxy chứa 2 nguyên tử oxy thì giống như thí nghiệm của 2 nhà bác học trên đã chứng minh. Nếu mỗi phân tử hơi nước mang 2 nguyên tử hydro và 1 nguyên tử oxy thì số phân tử của bất kỳ 1 lít hơi nước nào trong 2 lít hơi nước có được qua thí nghiệm(cho dù số nguyên tử của chúng là khác nhau).
Như vậy Amedeo Avogadro – một người không dùng ống thí nghiệm, cũng không làm thí nghiệm, thậm chí chưa được học nhiều về hóa học nhưng lại phát hiện ra sự tồn tại của phân tử, xây dựng được định luật chất khí cơ bản, đó chính là: số phân tử chất khí có trong mỗi lít khí là như nhau.
