Nào, bắt đầu ~ *cười*
Note: Trừ bài viết đầu tiên, tất cả những bài sau là do mình tự dịch và tổng hợp từ nhiều nguồn *lười copy-paste )))))*. Mình đã cố bỏ đi những kiến thức Hóa cao cấp để phù hợp với chương trình THPT. Nếu có gì sai sót, làm ơn cho mình biết để sửa chữa.

Phục vụ chương trình Hóa nguyên tố, và dành cho ai có hứng tìm hiểu Ẹnjoy ~




#1. Cơ sở Hóa học nguyên tố



1.1. Mở đầu



Các tài liệu, di chỉ lịch sử và triết học đã chứng minh một điều rằng đối với các ngành khoa học tự nhiên thì sự phát triển tư duy, tư tưởng các học thuyết và kiến thức khoa học xảy ra chậm hơn so với sự phát triển tri thức của con người. Hoá học đã trải qua hàng nghìn năm lịch sử nhưng trong suốt một thời gian dài của thời kì cổ đại và trung đại - thời kì Tiền hoá học thì Hoá học chỉ đạt được mức độ phát triển ở một “thuật, ngành” và được biết đến với cái tên Giả kim thuật (Alchemy).


[You must be registered and logged in to see this image.]


Đây là thời kì mông muội của loài người về những nhận biết, cảm giác với tri thức hoá học xung quanh. Dựa trên các văn bản cổ đại người ta đã biết từ thời kì cổ đại con người đã biết đến chín nguyên tố hoá học (vàng, bạc, đồng, chì, thiếc, sắt, thuỷ ngân, lưu huỳnh, cacbon) và đến đầu thế kỉ XVIII thì biết thêm một số nguyên tố mới là photpho, asen, antimon, bitmut và kẽm. Trong thời kì Giả kim thuật đã có hàng loạt những học thuyết duy tâm, chủ quan đã được đề ra và được đa số những nhà giả kim công nhận - chính những sự ngộ nhận về các học thuyết đó đã kìm hãm sự phát triển của Hoá học trong nhiều thế kỉ. Mãi cho đến giữa thế kỉ XVIII thì những học thuyết mới của Antonie Laurent Lavoisier và Mikhail Vasil'evich Lomonosov với những tư tưởng, cách nhìn nhận mới về hoá học - đặc biệt là sự hình dung ra khái niệm nguyên tố hoá học ra đời đã đánh dấu một mốc phát triển mới của hoá học - đưa nó lên một tầm cao mới, chính thức trở thành một ngành khoa học thực thụ. Trải qua hơn một trăm năm nữa, số lượng nguyên tố hoá học được con người biết đến đã là khoảng 60 nguyên tố và sự xuất hiện thiên tài hoá học Dmitri Ivanovich Mendeleev với một đóng góp vĩ đại cho hoá học là việc xây dựng thành công bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học (1869) để sắp xếp các nguyên tố hoá học theo những quy luật nhất định và dự đoán sự tồn tại của những nguyên tố mới đã góp phần giúp hoá học chuyển giao sang một thời kì mới - thời kì Hoá học hiện đại.

1.2. Lịch sử của bảng Hệ thống tuần hoàn (HTTH)

1.2.a. Một yêu cầu cấp bách của hóa học thế kỉ XIX:
Sau khi hàng loạt học thuyết của các nhà hóa học tân thời cuối thế kỉ XVIII - đầu thế kỉ XIX ra đời đã đánh đổ hoàn toàn những tư tưởng sai lầm, lệch lạc ở các nhà hóa học đương đại. Hóa học như được thoát ra khỏi sợi xích của những tư tưởng "cổ hủ" để băng băng tiến về phía trước, trên con đường trở thành một khoa học hoàn thiện. Trong thế kỉ XIX - thế kỉ của Khoa học và Kĩ thuật, hàng loạt những phát hiện mới trong hóa học đã được ra đời, đánh dấu nhiều mốc quan trọng trên chặng đường phát triển của ngành khoa học thú vị này. Cũng thời gian này, chủ nghĩa tư bản (capitalism) phát triển mạnh mẽ, nhiều ngành kinh tế mới đòi hỏi được đáp ứng đầy đủ và cung cấp thêm những nguyên, nhiên liệu mới. Chính vì vậy công cuộc khai thác, phân tích, tinh chế những chất hóa học có lợi trong các khoáng sản, quặng,... đã trở thành một yêu cầu bức bách. Do đó nhiều phương pháp phân tích hóa học mới đã ra đời, kéo theo một hệ quả là hàng loạt nguyên tố mới đã được tìm ra trong thời kì đầu thế kỉ XIX. Sau đây là một số ví dụ:

Năm 1803: ba nhà hóa học Berzelius - Hisingger - Claprot cùng thời gian đã tìm ra nguyên tố xeri (Ce).

Năm 1807 - 1808: Humphry Davy (nhà vật lí - hóa học người Anh) với kĩ thuật phân tích điện hóa đã tìm ra 5 nguyên tố mới Na, K, Mg, Ca và Sr. Cũng trong năm 1808, L. Thenard và J. Gay Lussac (Pháp) đã tìm ra nguyên tố bo (B).

Năm 1817 và 1823: Liên tiếp hai nguyên tố mới selen (Se) và silic (Si) lại được phát hiện nhờ công lao của Jöns Jakob Berzelius - thiên tài hóa học người Thụy Điển.

Năm 1825: Nhà vật lí người Đan Mạch H. Oersted đã tìm ra nguyên tố nhôm (Al).

Năm 1831: Sefström - nhà hóa học người Thụy Điển nhờ một chút may mắn đã được ghi nhận là người đầu tiên phát hiện ra nguyên tố vanađi (V) mặc dù nguyên tố này đã được biết đến trước đó hàng chục năm.

....

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.

- Quy tắc tam tử: Năm 1817, Johann W. Döbereiner 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.

[You must be registered and logged in to see this image.]



Quan niệm về "bộ ba" không được chấp nhận do sự phát hiện ra những nhóm mới gồm 4 nguyên tố (nhóm chancogen: O, S, Se, Te) hay 5 nguyên tố (đồng đẳng của nitơ: N, P, As, Sb, Bi).

- 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 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.

[You must be registered and logged in to see this image.]

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)

[You must be registered and logged in to see this image.]


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.b. Mendeleev - Thiên tài nước Nga và phát minh vĩ đại nhất lịch sử hóa học:
Trong ít nhất 5 năm tiếp xúc với môn Hóa học (từ lớp 8 - 12) chắc hẳn không bạn học sinh nào thấy lạ với hình ảnh của bảng Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học (Periodic Table of the Elements).

Chúng ta thường được biết đến bảng này với cái tên ngắn gọn hơn là "bảng Mendeleev", ai cũng biết việc đặt tên này là để ghi nhận công lao đã tìm ra bảng hệ thống tuần hoàn của Mendeleev. Nhưng, Mendeleev là người như thế nào? Và tại sao ông có thể xây dựng thành công hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học trong khi những nhà khoa học tiền nhân đã thất bại trong suốt hơn mấy chục năm qua? Trước tiên, hãy tìm hiểu một chút về tiểu sử của ông.

Mendeleev tên thật là Dmitri Ivanovich Mendeleev, ông sinh ngày 27.01.1834 (Giáp Ngọ) tại thành phố Tobolsk, thuộc công quốc Serbia ở Đông Nam Châu Âu. Mendeleev là con út trong số 17 người con của vợ chồng Ivan Pavlovich Mendeleev và Maria Dmitrievna Mendeleeva. Cha của Michia (tên gọi thời thơ ấu của Mendeleev) là hiệu trưởng trường THPT Tobolsk, khi Michia vừa tròn 2 tháng tuổi thì ông phải nghỉ việc vì sức khỏe không cho phép, hai vợ chồng ông giáo chỉ với khoản tiền trợ cấp ít ỏi đã phải cố gắng làm việc từng ngày để nuôi dưỡng 17 đứa con nên người. Vì sức khỏe của ông Ivan không tốt nên hầu như mọi gánh nặng trong gia đình đổ dồn lên vai bà Maria Dmitrievna, vốn dĩ là tiểu thư một gia đình khá giả, thời còn trẻ bà rất thích đọc sách, tìm tòi kiến thức, sau khi lấy chồng không còn nhiều thời gian để học tập, bà dồn hết mọi hi vọng và đam mê tuổi trẻ của mình vào những đứa con. Để có tiền nuôi sống cả nhà, bà quyết định đưa cả gia đình đến làng Aremdianka, một ngôi làng nhỏ cách xa thành phố 30 dặm, ở đây bà làm việc tại một xưởng thủy tinh nhỏ của anh trai mình. Ở đây bà vừa thay anh quản lí xưởng vừa sắp xếp công việc thích hợp cho các con. Dù rất bận rộn nhưng bà vẫn không sao nhãng việc học tập của con cái. Rồi nhờ mọi cố gắng của bà, cuộc sống của gia đình cũng dần ổn định. Nhưng rồi bất hạnh lại đổ lên gia đình bà, năm 1874 ông Ivan qua đời vì bệnh tật, ba tháng sau thì Apolinalia - một người con của bà cũng đi mất. Một năm sau xưởng thủy tinh bị cháy, bà phải dẫn các con trở lại thành phố. Các con của bà những đứa lớn lần lượt lấy vợ, gả chồng, chẳng mấy chốc cả gia đình gần 20 người giờ chỉ còn lại bà và ba đứa trẻ Elizabet, Lida và Michia.

Năm 15 tuổi (1849), Mendeleev tốt nghiệp trường THPT Tobolsk và vào học trường Đại học sư phạm Sankt-Peterburg sau nhiều tháng ngày gian nan với việc nộp đơn vào các trường ĐH lớn và bị từ chối vì xuất thân của mình. Mendeleev đã bị trường ĐH TH Moscov từ chối, vào viện Hàn Lâm Y học một thời gian thì không chịu nổi môi trường ở các buổi học giải phẫu nên cậu cũng phải xin nghỉ, nộp đơn vào Đại học sư phạm Sankt-Peterburg thì đúng vào đợt mà trường chưa tuyển sinh (2 năm mới tổ chức tuyển sinh 1 lần, lúc đó mới gần kết thúc năm thứ nhất), tuy nhiên mẹ của cậu - bà Maria Dmitrievna đã viết thư nhờ những người quen biết cũ vận động giúp và cuối cùng Mendeleev đã được đặc cách tuyển vào trường. Quá lao lục trong suốt chặng đường vừa qua, mùa đông năm 1849 bà Maria qua đời.

"... Michia, mẹ ra đi mà trong lòng thanh thản vì tin rằng con sẽ là một người có ích..."

Đó là những lời cuối trong bức thư mà bà Maria gửi cho Mendeleev. Để không phụ lòng kì vọng của mẹ, Mendeleev đã ra sức học tập, dù môi trường học cũng như điều kiện sống khó khăn nhưng cậu không vì thế mà nản chí. Sự kiên trì trong việc học tập, nghiên cứu của Mendeleev đã làm nhiều nhà giáo uy tín trong trường chú ý và dành nhiều ưu ái cho cậu. Chính những người thầy này đã xây dựng nên một tình yêu, niềm đam mê khoa học trong cậu.

6 năm sau (1855), Mendeleev tốt nghiệp loại xuất sắc và giành được huy chương vàng. Theo đề nghị của các viện sĩ đã giảng dạy cậu thì Mendeleev sẽ được giữ lại trường và tiếp tục làm luận án thạc sĩ nhưng ông đã rời xa Peterburg để về Simferopol và làm giảng viên tại một trường THPT ở đó.

[You must be registered and logged in to see this image.]

Năm 1859, Mendeleev bảo vệ thành công luận án phó tiến sĩ, sau đó ông tiếp tục ra nước ngoài (Pháp, Đức,... ) để học tập và nghiên cứu. Hai năm sau ông trở về nước Nga và được bầu chọn làm giáo sư ĐH Tổng hợp Sankt-Peterburg, đây cũng là nơi ông gắn liền suốt hơn 35 năm sau...
Nếu muốn tìm hiểu thêm về Mendeleev các bạn có thể đọc thêm ở đây: [You must be registered and logged in to see this link.]

Năm 1864, Mendeleev bắt tay vào nghiên cứu phân loại các nguyên tố hóa học, lúc này số lượng nguyên tố hóa học được con người tìm ra đã đạt đến con số 63. Khi ông viết cuốn "Nguyên lí hóa học" ông đã phát hiện rằng các sự vật có một mối liên quan nào đó với nhau chứng tỏ rằng giữa các nguyên tố - là những yếu tố cơ bản sáng tạo nên vật chất sẽ có liên hệ bởi một quy luật biến hóa thống nhất. Để phát hiện quy luật này ông đã dùng 63 chiếc thẻ làm đại diện cho 63 nguyên tố đã biết, với 63 chiếc thẻ này hàng ngày ông sắp xếp chúng theo các quy luật, trật tự khác nhau những mong tìm ra một mối quan hệ chung cho tất cả các nguyên tố nhưng xem chừng công việc có vẻ vô vọng. Đang trong những bế tắc thì một lần tình cờ ông phát hiện ra rằng nếu sắp xếp các nguyên tố theo thứ tự tăng dần của nguyên tử lượng thì sẽ xuất hiện sự biến hóa tính chất liên tục đến độ kì diệu, cứ như là biến hóa của một bản giao hưởng tuyệt vời. Ông không thể giấu nổi niềm vui sướng trước phát hiện mới này và ông tin chắc rằng quy luật này chính là mối quan hệ của tất cả các nguyên tố mà ông hay là các nhà hóa học khác đã cố công tìm kiếm bao lâu nay. Lúc này đây Mendeleev giống như người đang lạc giữa mê cung của những suy nghĩ tưởng chừng như không có lời giải đáp bỗng nhiên tìm được chiếc chìa khóa để mở lối ra. Ông bắt tay vào xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh, và khi quan sát các vị trí còn trống trong bảng hệ thống tuần hoàn của mình, ông đã dự đoán rằng sẽ còn những nguyên tố mới chưa được tìm ra.

Và dự đoán này chính là một trong những tư duy thiên tài của Mendeleev, đóng góp quan trọng vào việc giúp bảng HTTH Mendeleev đứng vững trước những phản biện từ giới khoa học thời bấy giờ.




1.2.c. Thực nghiệm và những tiên đoán thiên tài của Mendeleev - Một thời kì hóa học mới lại mở ra:

Tin tưởng vào phát hiện của mình, Mendeleev đã gửi cho các cơ quan có thẩm quyền và các nhà hóa học trên thế giới những ý kiến về sự sắp xếp mới cho các nguyên tố hóa học và những dự đoán về các nguyên tố mới (gồm 10 nguyên tố, trong đó có 3 nguyên tố số 21, 31 và 32 được ông miêu tả khá tỉ mỉ về tính chất vật lí của đơn chất và một số hợp chất của chúng, 7 nguyên tố còn lại do vị trí của chúng trong bảng HTTH không thuận lợi cho việc tiên đoán nên ông chỉ mới ước lượng được khối lượng nguyên tử), ngoài ra ông còn đính chính lại khối lượng nguyên tử của một số nguyên tố hay hóa trị nguyên tố mà trước đó theo ông là đã bị xác định sai! Kiên trì chờ đợi những phản hồi có tính tích cực nhưng suốt mấy năm trời những tiên đoán của Mendeleev cũng không được chấp nhận do còn chưa được thực nghiệm xác minh tính chính xác, tuy nhiên ông giữ vững niềm tin và kiên trì chờ đợi sự ra đời của những nguyên tố mình đã tiên đoán. Và rồi điều Mendeleev mong chờ cuối cùng cũng đã đến.

Ngày 27.08.1875, nhà hóa học người Pháp P.E. Lecoq De Boisbaudran đã gửi thư thông báo đến viện Hàn lâm khoa học Paris về việc đã tìm ra một nguyên tố mới trong quặng kẽm trắng ở Pyrenees (Pháp), nguyên tố này được phát hiện bằng phương pháp phân tích quang phổ (spectrographic analysis). Boisbaudran gọi nguyên tố mới này là Gali (Gallium), xuất phát từ tên Gaule - tên nước Pháp (cũ). Sau khi kiểm nghiệm lại, viện Hàn lâm khoa học Paris đã đăng trên tạp chí của mình và đến khoảng tháng 11.1875 thì tạp chí này đến nước Nga, và Mendeleev quá vui mừng khi đọc được bài báo này bởi nguyên tố Gali có rất nhiều tính chất giống với tính chất của nguyên tố eka-nhôm (eka-aluminium) với số hiệu nguyên tử là 31 mà cách đấy mấy năm ông đã dự đoán được. Tuy nhiên có 1 số điểm khác biệt về những số liệu mà Mendeleev đã tiên đoán với những số liệu mà Boisbaudran đã tính được bằng thực nghiệm. Theo như nhà hóa học Pháp thì Gali có tỉ khối là 4,7 và khối lượng nguyên tử là 59,72 trong khi theo như những tiên đoán của Mendeleev thì eka-nhôm có tỉ khối khoảng 6,0 và khối lượng nguyên tử là khoảng 68. Tin tưởng vào những tiên đoán của mình, Mendeleev đã gửi một bức thư cho Boisbaudran nói về những nghiên cứu trong việc sắp xếp các nguyên tố của mình và những tiên đoán trước đây, ông còn góp ý với Boisbaudran về việc đo lại các số liệu về tỉ khối và khối lượng nguyên tử của Gali. Vốn dĩ cũng là người quan tâm đến việc sắp xếp các nguyên tố hóa học và phân lập các chất hóa học, Boisbaudran đã đồng ý tiến hành kiểm tra lại các số liệu đã tính được trước đây và thật bất ngờ, kết quả xác minh lại cho thấy khối lượng nguyên tử của Gali là 69,72 và tỉ khối là 5,904, rất gần với những tiên đoán của Mendeleev! Và để bày tỏ lòng ngưỡng mộ, tôn kính với thiên tài của Mendeleev, Boisbaudran đã gửi tặng ông món quà kèm bức ảnh với dòng chữ: "Xin gửi Ngài lòng kính trọng sâu sắc và ước ao được Ngài nhận là bạn."

Dự đoán thành công của Mendeleev với trường hợp Gali đã làm cho giới khoa học thời bấy giờ xôn xao vì những nhận định của ông đã bị lãng quên trước đó. Nhiều nhà khoa học đã có lời chúc mừng đến Mendeleev với những tiên đoán thành công của ông, và bảng hệ thống tuần hoàn (HTTH) đã được dịch ra nhiều thứ tiếng, thu hút sự quan tâm của nhiều người. Không chỉ dừng lại ở đó, những năm sau đó các tiên đoán của Mendeleev đã lần lượt được thực nghiệm xác minh. Năm 1879, nhà hóa học Thụy Điển L. Nilson đã tìm ra một nguyên tố mới được đặt tên là Scanđi (Scandium), kí hiệu là Sc. Nguyên tố mới này có nhiều tính chất giống với nguyên tố eka-bo (vị trí số 21 trong bảng HTTH) mà Mendeleev đã từng tiên đoán, những năm sau đó các kết quả thực nghiệm của P. Cleve (Thụy Điển) và W. Fischer (Đức) đã chứng thực được những tiên đoán của Mendeleev phù hợp với thực nghiệm. Năm 1886, nguyên tố eka-silic (vị trí số 32) cũng đã được tìm ra, đó là nguyên tố Gemani (Germanium) với kí hiệu Ge, do nhà hóa học người Đức C. Winkler phát hiện ra trong khoáng vật agorođit (argyrodite). Với sự kiện nguyên tố Ge và eka-silic (được Mendeleev tiên đoán từ sự tồn tại trước đó... 15 năm!) có những tính chất vật lí và hóa học gần như tương đồng với nhau đã chứng tỏ một điều rằng những tiên đoán của Mendeleev là có cơ sở và rất phù hợp với thực tế. Bảng HTTH của Mendeleev đã được giới khoa học công nhận, trở thành một công cụ hỗ trợ đắc lực cho các nhà hóa học trên con đường phát hiện ra những nguyên tố mới. Hơn 100 năm sau, bảng HTTH của Mendeleev vẫn được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Mendeleev còn trải qua nhiều thử thách khi gặp các trường hợp đi ngược lại với các tiên đoán của mình như trường hợp sắp xếp vị trí của Ar và K trong bảng HTTH nhưng ông vẫn kiên định giữ vững những lập trường của mình và đưa ra những lí lẽ phù hợp (với khoa học thời kì đó) để giải thích.

Đến đầu thế kỉ XX nhờ sự phát triển của Vật lí hiện đại người ta đã chứng minh được quy luật sắp xếp của Mendeleev là ứng với sự tăng dần điện tích hạt nhân.

Định luật tuần hoàn và bảng HTTH ra đời đã mở ra một chương mới cho hóa học, từ đây các nhà hóa học đã có thể tìm được sợi dây liên hệ giữa các nguyên tố và các hợp chất của chúng với nhau. Giờ đây chúng ta quay trở lại giải quyết câu hỏi tại sao các tiền nhân đi trước ông lại thất bại trong việc tìm ra hệ thống tuần hoàn này? Phải chăng là do họ thiếu may mắn hơn Mendeleev? Không thể phủ nhận một điều rằng việc tìm ra HTTH cũng có một phần may mắn nhưng đó không phải là yếu tố quyết định. Chính bởi vì các nhá hóa học đi trước chỉ dành tập trung vào những nguyên tố hóa học có tính chất giống nhau còn Mendeleev thì lại nghiên cứu mối quan hệ chung, những quy luật chung kết nối các nguyên tố với nhau, đó chính là thiên tài của ông.

Dù vậy, Mendeleev cũng không phải là người đã hoàn toàn thoát khỏi những chi phối cổ hủ của tư tưởng cũ là nguyên tử không thể bị phân chia, chính vì vậy khi các nhà hóa học trẻ tìm ra những nguyên tố phóng xạ thì ông không dựa trên những vấn đề lí thuyết mới này để phát triển hệ thống nguyên tố của mình mà liên tục đưa ra những tư tưởng phủ định các hiện tượng đã được thực nghiệm xác minh đó, dấu sao cũng là chuyện bình thường trong giai đoạn chuyển giao giữa của hóa học.

Mở đầu

Lịch sử Hoá học và Triết học đã cho chúng ta biết là sự phát triển tư tưởng và kiến thức khoa học xảy ra chậm hơn so với sự phát triển tri thức của loài người. Hoá học đã trải qua hàng nghìn năm lịch sử nhưng trong suốt một thời gian dài của thời kì cổ đại và trung đại-thời kì Tiền hoá học thì nó chỉ đạt được mức độ phát triển ở một “thuật, ngành” và được biết đến với cái tên Giả kim thuật (alchemy). Đây là thời kì mông muội của loài người về những nhận biết, cảm giác với tri thức hoá học xung quanh. Dựa trên các văn bản cổ đại người ta đã biết từ thời kì cổ đại con người đã biết đến chín nguyên tố hoá học (vàng, bạc, đồng, chì, thiếc, sắt, thuỷ ngân, lưu huỳnh, cacbon) và đến đầu thế kỉ XVIII thì biết thêm một số nguyên tố mới là photpho, asen, antimon, bitmut và kẽm. Trong thời kì Giả kim thuật đã có hàng loạt những học thuyết duy tâm, chủ quan đã được đề ra và được đa số những nhà giả kim công nhận – chính những sự ngộ nhận về các học thuyết đó đã kìm hãm sự phát triển của Hoá học trong nhiều thế kỉ. Mãi cho đến giữa thế kỉ XVIII thì những học thuyết mới của Antoine Laurent de Lavoisier và Mikhail Vasil'evich Lomonosov với những tư tưởng, cách nhìn nhận mới về Hoá học- đặc biệt là sự hình dung ra khái niệm nguyên tố hoá học ra đời đã đánh dấu một mốc phát triển mới của hoá học-đưa nó lên một tầm cao mới, chính thức trở thành một ngành khoa học thực thụ.

[You must be registered and logged in to see this image.]


Trải qua hơn một trăm năm nữa, số lượng nguyên tố hoá học được con người biết đến đã là khoảng 60 nguyên tố và sự xuất hiện thiên tài hoá học Dmitri Ivanovich Mendeleev (Nga) với một đóng góp vĩ đại cho Hoá học trong  việc xây dựng thành công bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học (1869) để sắp xếp các nguyên tố hoá học theo những quy luật nhất định và dự đoán sự tồn tại của những nguyên tố mới đã góp phần giúp Hoá học chuyển giao sang một thời kì mới-thời kì hoá học hiện đại. Tính đến nay, đã khoảng 150 năm kể từ ngày bảng hệ thống tuần hoàn ra đời, mỗi chúng ta đều đã quen với các kí hiệu Hoá học quen thuộc như : Fe, Cu, Ag,…

Nhưng liệu bạn có bao giờ tìm hiểu về nguồn gốc của các kí hiệu mà mình vẫn thấy thường ngày đó không? Liệu trong thời kì Giả kim thuật đã xuất hiện những kí hiệu như bây giờ chưa hay là có một hệ thống kí hiệu nào khác được các nhà giả kim sử dụng mà bạn chưa biết? Nếu vậy hãy cùng tôi thử tìm hiểu một chút về hệ thống kí hiệu nguyên tố Hoá học nhé, cũng có nhiều điều thú vị lắm đấy.


2.1. Kí hiệu trong trong thời kì Giả kim thuật

Trong thời kì Giả kim thuật thì công việc chủ yếu cuả các nhà giả     kim là nghiên cứu phương pháp biến các “kim loại thông thường” như bạc, đồng, chì, thiếc sắt, thuỷ ngân và bạc trở thành “kim loại  hoàn mĩ nhất” (vàng). Để lưu trữ lại đồng thời giữ bí mật các công  trình nghiên cứu của mình với những người ngoại đạo, các nhà giả kim đã sử dụng một hệ thống kí hiệu đặc biệt được thống nhất và  quy ước chung với nhau để chỉ những nhà giả kim mới hiểu được. Có nhiều hệ thống kí hiệu được sử dụng nhưng theo đa số các tài liệu, văn bản cổ để lại thì có một hệ thống được sử dụng rất rộng rãi, và cho đến tận thế kỉ XVIII vẫn được sử dụng khi trong các văn bản, tài liệu về hoá học. Chẳng hạn về các nguyên tố trong tự nhiên thì được kí hiệu và phân nhóm như sau.

Bảy Nguyên tố hành tinh (planetary element)

Được kí hiệu (quy ước) bởi một trong bảy hành tinh đã biết từ thời cổ. Mặc dù là các nhà giả kim có dùng kí hiệu của riêng bản thân họ nhưng vẫn việc sử dụng theo hệ thống kí tự chung này vẫn là chủ yếu. Đây là bảy kim loại được con người phát hiện vào thời kì cổ đại.

[You must be registered and logged in to see this image.]

Các nguyên tố trung cổ

Sau này khi có thêm một số nguyên tố mới, người ta lại tiếp tục bổ sung tiếp các kí hiệu nhưng không sử dụng các kí hiệu hành tinh nữa vì không đủ số lượng, mà dựa vào các kí hiệu cũ để tạo nên những kí hiệu mới – rộng hơn. Các nguyên tố đó được kí hiệu như sau.

[You must be registered and logged in to see this image.]



2.2. Kí hiệu nguyên tố hiện đại

Các kí hiệu hoá học từ thời kì Giả kim thuật vẫn được sử dụng kể cả sau khi các học thuyết hiện đại của Lavoisier hay Lomonosov xuất hiện. Kể cả đến thời kì của John Dalton thì những nguyên tố hoá học mới được phát hiện cũng vẫn sử dụng những kí hiệu có tính tượng hình quá nhiều. Ví dụ Dalton dùng phương pháp đường tròn để biểu thị các nguyên tố, ông kí hiệu nguyên tố oxi là một đường tròn sau đó các nguyên tố khác được ông sử dụng các chữ cái Latinh hoặc các kí tự đơn giản hơn để biểu diễn, như nguyên tố hiđro thì ông dùng một vòng tròn với chấm đen bên trong để biểu thị. Những hệ thống kí hiệu kiểu như thế này rất phức tạp và càng ngày càng mất đi tính thống nhất.

[You must be registered and logged in to see this image.]

Để giải quyết tình trạng này, năm 1787 Lavoisier đã đứng lên hô hào các nhà khoa học đưa ra ý tưởng để thống nhất việc kí hiệu các nguyên tố hoá học nhằm hệ thống hoá lại các học thuyết hoá học thời bấy giờ một cách trọn vẹn và hoàn thiện hơn. Nhưng ý tưởng này cũng chưa tạo được sự quan tâm và chú ý của giới khoa học, và trong lúc đang tập trung với những kế hoạch phát triển khoa học khác thì tháng 8 năm 1794 Lavoisier bị kết án tử hình vì có liên quan đến một số vấn đề tài chính. Mãi đến 17 năm sau, một trong số những nhà hoá học vĩ đại nhất của Thuỵ Điển ở thế kỉ XVIII là Jöns Jakob Berzelius mới tiếp bước công việc của Lavoisier còn dang dở.


Sáng kiến về hệ thống kí hiệu mới này đến với Berzelius khi ông chợt nghĩ đến việc đơn giản hoá việc kí hiệu các nguyên tố như lưu huỳnh, nitơ … bằng cách thay các kí hiệu tượng hình bởi các chữ cái đầu tiên của tên nguyên tố đó (viết hoa), ví dụ như lưu huỳnh là sulfur thì sẽ kí hiệu là S, nitơ là nitrogen thì sẽ kí hiệu là N. Cảm thấy việc kí hiệu như thế này sẽ rất tiện, ông tiếp tục hoàn thiện hơn phương pháp kí hiệu này. Với các nguyên tố tên giống nhau thì ông còn sử dụng thêm các chữ cái khác, thường là chữ cái thứ hai, ví dụ như Canxi là Calcium thì sẽ kí hiệu là Ca. Cứ thế mở rộng dần.

Ông còn sử dụng các chữ số để chỉ số lượng các nguyên tố trong một chất, ví dụ như với chất khí hiđro có hai nguyên tử H thì sẽ kí hiệu là H2 (sau này đổi thành H2). Hệ thống kí hiệu này đã được giới Khoa học đón nhận và dần dần thay thế các kí hiệu tượng  hình đã quá cũ và bất cập. Khái niệm phân tử cũng dần dần được định hình, khi có từ hai guyên tử trở lên kết nối với nhau trong một chất là người ta nhắc đến khái niệm phân tử. Cho đến nay hệ thống kí hiệu của Berzelius vẫn được giới Khoa học sử dụng và liên tục sửa đổi, bổ sung, phát triển để ngày một hoàn thiện hơn. Đến đây chúng ta tạm kết thúc với cuộc hành trình của những kí hiệu nguyên tố hoá học, giờ nhìn lại những sự “thay da đổi thịt” của hệ thống danh pháp các nguyên tố hoá học chúng ta mới cảm nhận được những sự tiến bộ vượt bậc của khoa học, đặc biệt là bộ môn hoá học đầy sự phong phú, thú vị.



Nguồn: olympiavn.org

#2: 01- Hidro (HYdrogen)


Một số thông số:

[You must be registered and logged in to see this image.]


Hidro (từ tiếng Latinh: hydrogenium) là một nguyên tố hóa học trong hệ thống tuần hoàn với nguyên tử số bằng 1. Hidro là nguyên tố nhẹ nhất và tồn tại ở thể khí, với trọng lượng nguyên tử 1.00794 u. Hidro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, tạo nên khoảng 75% tổng khối lượngvũ trụ và tới trên 90% tổng số nguyên tử. Các ngôi sao được cấu tạo chủ yếu bởi hidro ở trạng thái plasma. Hidro tồn tại tự nhiên trên Trái Đất tương đối hiếm do khí hidro nhẹ nên trường hấp dẫn của Trái Đất không đủ mạnh để giữ chúng khỏi thoát ra ngoài không gian, do đó hidro tồn tại chủ yếu dưới dạng hidro nguyên tử trong các tầng cao của khí quyển Trái Đất.

Đồng vị phổ biến nhất của hidro là proti, kí hiệu là H, với hạt nhânlà một proton duy nhất và không có neutron. Ngoài ra hidro còn có một đồng vị bền là deuteri, kí hiệu là D, với hạt nhân chứa một proton và một neutron và một đồng vị phóng xạ là triti, kí hiệu là T, với hai neutron trong hạt nhân.
Với vỏ nguyên tử chỉ có một electron, nguyên tử hydro là nguyên tử đơn giản nhất được biết đến, và cũng vì vậy nguyên tử hidro tự do có một ý nghĩa to lớn về mặt lý thuyết. Chẳng hạn, vì nguyên tử hidro là nguyên tử trung hòa duy nhất mà phương trình Schrödinger có thể giải được chính xác nên việc nghiên cứu năng lượng và cấu trúc điện tử của nó đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của cả cơ học lượng tử và hóa học lượng tử.

Ở điều kiện thường, các nguyên tử hidro kết hợp với nhau tạo thành những phân tử gồm hai nguyên tử H2. Ở những nhiệt độ cao, quá trình ngược lại xảy ra.. Ở điều kiện tiêu chuẩn, hidro là một chất khí lưỡng nguyên tử không màu, không mùi, không vị và là một phi kim.

Trong các hợp chất ion, hidro có thể có thể tồn tại ở hai dạng. Trong các hợp chất với kim loại, hidro tồn tại dưới dạng các anion hidrua mang điện tích âm, kí hiệu H-. Hidro còn có thể tồn tại dưới dạng các cation H là ion dương sinh ra do nguyên tử hidro bị mất đi một electron duy nhất. Tuy nhiên một ion dương với cấu tạo chỉ gồm một proton trần trụi (không có electron che chắn) không thể tồn tại được trong thực tế do tính dương điện hay tính axit và do đó khả năng phản ứng với các phân tử khác của H là rất cao. Một cation hidro thực sự chỉ tồn tại trong quá trình chuyển proton từ các axit sang các bazơ (phản ứng axit-bazơ). Trong dung dịch nước H (do chính nước hoặc một loại axit khác phân ly ra) kết hợp với phân tử nước tạo ra các cation hydroni H3O , thường cũng được viết gọn là H . Ion này đóng một vai trò đặc biệt quan trọng trong hóa học axit-bazơ.

Hidro tạo thành các hợp chất cộng hóa trị với hầu hết các nguyên tố khác. Nó có mặt trong nước và hầu hết các hợp chất hữu cơ cũng như các cơ thể sống.

Các khả năng phản ứng của H cho thấy nó có một vị trí đặc biệt trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học, nó vừa giống vừa khác kim loại kiềm và Halogen. Nhưng nếu phải xếp vào một trong hai nhóm đó thì việc xếp H vào nhóm Halogen là tương đối hợp lý.


1. Lịch sử


Thế kỉ 17:
* 1625: Lần đầu tiên, hidro được mô tả tính chất bởi Johann Baptist van Helmont.

* 1650: Turquet de Mayerne khi cho axit sulfuric loãng phản ứng với sắt đã thu được một chất khí dễ cháy.

* 1670: Robert Boyle điều chế được Hidro khi cho kim loại phản ứng với Acid.

Thế kỉ 18:

* 1700: thí nghiệm của Nicolas Lemery cho thấy rằng chất khí sinh ra bởi phản ứng giữa axit/kim loại có phản ứng nổ trong không khí.

* 1766: Henry Cavendish mô tả về tính chất của một chất khí dễ cháy, thu được sau phản ứng của kẽm và axit clohidric, nhẹ hơn không khí từ 7-11 lần.

* 1783: Antoine Lavoisier đặt tên cho Hidro (trong tiếng Hy Lạp, hydor: nước, genao: sinh ra)

* 1783: Jarques Charles thực hiện chuyến bay đầu tiên với khinh khí cầu bơm đầy Hidro.


Thế kỷ 19-20

*1806: Francois Issac de Rivaz đã tạo nên động cơ đốt trong đầu tiên chạy bằng hỗn hợp Hidro và Oxi.

*1849: Edward Daniel Clarke phát minh ra ống hàn bằng khí hidro.

* 1898: Hidro được hoá lỏng lần đầu tiên, bởi James Dewar.

* 1899: Hidro được hoá rắn.

* 1931: Harold Urey tìm ra Deuteri.

* 1932: Nhóm nghiên cứu của Urey tìm ra nước nặng.

* 1934: Ernest Rutherford, Mark Oliphant, Paul Harteck tìm ra Triti.


2. Tính chất vật lý


Dạng tồn tại ở trạng thái tự do của hidro là phân tử H2 gồm 2 nguyên tử. Năng lượng của liên kết H-H là 435 kJ/mol. Phân tử Hidro có độ bền lớn, khó bị cực hoá, hết sức bé và nhẹ nên có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi rất thấp. Ở nhiệt độ thường, hidro là khí không màu, không mùi, không vị. Nó nhẹ nhất trong tất cả các khí, 1 lit hidro ở điều kiện tiêu chuẩn nặng 0,08985 g, nhẹ hơn không khí 15 lần. Bởi vậy hidro có tốc độ khuếch tán lớn nhất, lớn gấp 3,5 lần không khí, và độ dẫn nhiệt lớn.

Khí Hidro rất ít tan trong nước và dung môi hữu cơ. Một lit nước ở 0¤C hoà tan 21,5 ml khí hidro.

Gần đây, người ta đã tạo ra được một trạng thái mới của hidro, gọi là trạng thái kim loại, khi nén khí hidro dưới áp suất 3.000.000 atm ở nhiệt độ khoảng -270 độ C. Hidro kim loại là chất rắn có độ dẫn điện cao và nhiều tính chất khác của kim loại. Nó có triển vọng sử dụng trong tương lai để làm nguồn nhiên liệu hoá học và nhiệt-nhân lý tưởng.


3. Tính chất hoá học

Do có kiến trúc đặc biệt, nguyên tử H có 3 khả năng:

* Mất electron hoá trị biến thành ion H

Về khả năng này, hidro giống kim loại kiềm nhưng năng lượng ion hoá của hidro lớn gấp vài ba lần so với kim loại kiềm.

* Kết hợp electron biến thành ion H- có kiến trúc electron của heli.

Ion H- tự do có khả năng tồn tại trong hidrua như NaH, KH. Về khả năng này, hidro giống halogen, nhưng ái lực electron của H chỉ gần bằng một phần năm ái lực electron của halogen.

* Tạo cặp electron chung cho liên kết cộng hoá trị. Liên kết này có thể không phân cực như trong phân tử H2, hoặc phân cực như trong phân tử HCl.

Phân tử Hidro với vỏ electron của nguyên tử He, có độ bền lớn nên khó phân huỷ thành nguyên tử. Nó chỉ phân huỷ rõ rệt ở nhiệt độ 2000 độ C. Quá trình phân huỷ đó thu nhiệt nhiều.

Cho nên ở nhiệt độ thường, hidro rất kém hoạt động hoá học. Khi đun nóng, hidro kết hợp với nhiều nguyên tố.

Ví dụ như hidro kết hợp trực tiếp với các kim loại kiềm và kiềm thổ tạo nên hidrua kim loại:

2 Li + H2 → 2 LiH.
Ca + H2 → CaH2.

Hidro có thể kết hợp với các nguyên tố phi kim như oxi, clo, lưu huỳnh, nitơ...

Ngoài việc kết hợp trực tiếp với các nguyên tố, hidro còn có thể lấy oxi trong oxit của nhiều kim loại như đồng, chì, sắt, thuỷ ngân.

Ví dụ:

CuO + H2 → Cu + H2O.
FeO + H2 → Fe + H2O.

Phản ứng thứ nhất có thể dùng để định lượng hidro. Dựa vào phản ứng khử oxit kim loại thành kim loại, hidro được dùng để điều chế một số kim loại như Ni, Fe, W.

Khi có mặt xúc tác platin, Hidro có thể khử nhiều hợp chất hữu cơ tan trong các dung môi hữu cơ: khử hợp chất không no thành hợp chất no, khử andehit thành rượu... Ở áp suốt cao hidro có thể đẩy một số kim loại ra khỏi dung dịch muối của chúng.

Thực nghiệm cho thấy hoạt tính hoá học của hidro nguyên tử mạnh hơn nhiều so với hidro phân tử. Ví dụ, như ở điều kiện thường, hidro nguyên tử có thể kết hợp với oxi, lưu huỳnh, photpho, asen, khử được oxit của nhiều kim loại, đẩy được một số kim loại như đồng, bạc, chì ra khỏi dung dịch muối, tham gia vào những phản ứng mà trong cùng điều kiện không thể xảy ra với hidro phân tử.



4. Hidrua của các nguyên tố.

Hidro tạo hợp chất với hầu hết các nguyên tố. Những hợp chất đó gọi chung là hidrua trong nghĩa rộng, là hợp chất của hidro với những nguyên tố khác. Dựa vào bản chất của liên kết hoá học trong hợp chất người ta phân hidrua ra làm ba loại: hidrua ion, hidrua cộng hoá trị và hidrua kim loại. Ở đây, chỉ xét hidrua ion và hdrua cộng hóa trị.

*Hidrua ion.

Hidrua ion là những chất có dạng tinh thể không màu. Hidro có ái lực electron rất nhỏ và xu hướng tạo thành anion của nó rất yếu so với các Halogen là nguyên tố âm điện hơn. Do tính thu nhiệt lớn của ion H-, chỉ những kim loại hoạt động mạnh như kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ mới có thể tạo nên hidrua ion. Bản chất ion của các hidrua thể hiện rõ ở tính dẫn điện khi nóng chảy và nhiệt độ nóng chảy cao của chúng. Tất cả các hidrua kim loại kiềm có cấu trúc lập phương, còn hidrua kim loại kiềm thổ có cấu trúc tà phương. Các hidrua ion không có độ bền cao với nhiệt.

Về mặt hoá học, các hidrua ion có hoạt tính rất cao. Chúng phản ứng nhanh chóng và hoàn toàn với những chất có thể, dù chỉ là những vết ion H giải phóng khí hidro. Ví dụ như với nước:

NaH + H2O → NaOH + H2

Ion H- là một trong những chất khử mạnh nhất. Thật vậy, các hidrua LiH và NaH là những chất khử mạnh dùng trong tổng hợp hữu cơ.

Hidrua ion có thể kết hợp với các hidrua khác trong ete tạo nên phức chất như LiBH4, LiAlH4, NaBH4, KAlH4.

Ví dụ:

KH + AlH3 → KAlH4

Các hidrua ion thường được điều chế bằng cách đun nóng kim loại tương ứng trong khí quyển hidro:

Ví dụ:

2 Na + H2 → 2 NaH


*Hidrua cộng hoá trị

Phần lớn các hợp chất của hidro với các nguyên tố là hợp chất trong đó liên kết giữa H và nguyên tố X có bản chất cộng hoá trị. Tuỳ theo độ âm điện của X mà liên kết H - X có một phần bản chất ion. X hầu hết là phi kim và á kim. Nhiều hidrua bộng hoá trị là chất dễ bay hơi. Một số ở trạng thái khí và một số khác ở trạng thái lỏng ở điều kiện thường.

Thuộc tính hoá học của hidrua cộng hoá trị phụ thuộc mạnh vào bản chất của nguyên tố liên kết với H.

Độ bền của liên kết H - X trong các hidrua cộng hoá trị của các nguyên tố trong cùng một nhóm giảm khi đi từ trên xuống dưới, và tăng dần trong một chu kì khi đi từ trái sang phải.

Độ bền nhiệt của các hidrua cộng hoá trị hơi giảm xuống khi điện tích hạt nhân Z tăng lên. Nói chung với hai nguyên tố có độ điện âm tương đương nhau, nguyên tố nào nặng hơn cho hidrua có độ bền nhiệt kém hơn.



5. Đồng vị

Hidro là nguyên tố duy nhất có các tên gọi khác nhau cho các đồng vị của nó. (Trong giai đoạn đầu của nghiên cứu phóng xạ, các đồng vị phóng xạ nặng khác nhau cũng được đặt tên, nhưng các tên gọi này không được sử dụng,mặc dù một nguyên tố, radon, có tên gọi mà nguyên thủy được dùng chỉ cho một đồng vị của nó). Các ký hiệu D và T (thay vì H2và H3) đôi khi được sử dụng để chỉ deuteri và triti, mặc dù điều này không được chính thức phê chuẩn. (Ký hiệu P đã được sử dụng cho photpho và không thể sử dụng để chỉ proti.)

*.1H: Đồng vị phổ biến nhất của hidro, đồng vị ổn định này có hạt nhân chỉ chứa duy nhất một proton.

*.2H: Đồng vị ổn định có tên là deuteri, với thêm một neutron trong hạt nhân. Nó chiếm khoảng 0,0184-0,0082% hidro.

*.3H: Đồng vị phóng xạ tự nhiên có tên là triti. Hạt nhân của nó có hai neutron và một proton. Nó phân rã theo phóng xạ beta và chu kỳ bán rã là 12,32 năm.

*.4H: Hidro-4 được tổng hợp khi bắn phá triti bằng hạt nhân deuteri chuyển động cực nhanh. Nó phân rã tạo ra bức xạ neutron, có chu kỳ bán rã 9,93696 x10^23giây.


6. Trạng thái tự nhiên.

Hidro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, chiếm 75% khối lượng vật chất và hơn 90% số lượng nguyên tử.
Trong vỏ Trái Đất (thạch quyển, khí quyển, thuỷ quyển) Hidro chiếm 17% tổng số nguyên tử, và 1% khối lượng.

Hầu như toàn bộ Hidro của Trái Đất tồn tại ở dạng hợp chất, trong nước, trong đất sét, dầu mỏ, than đá, khí thiên nhiên và mọi sinh vật. Hidro tự do có rất ít trong khí quyển.

7. Điều chế

Trong phòng thí nghiệm, hidro thường được điều chế bằng cách cho kẽm hạt tác dụng với dung dịch axit sulfuric loãng hoặc axit clohidric trong bình Krip:

Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2

Trong trường hợp dùng Zn tinh khiết, phản ứng xảy ra rất chậm, cần cho thêm một ít muối đồng vào để phản ứng xảy ra nhanh hơn.

Trong công nghiệp, hidro được điều chế theo các phương pháp khác nhau.

Trong phương pháp đi từ than, người ta cho hơi nước đi qua than cốc đốt nóng đến 1.000 độ C và thu được hỗn hợp hai khí cacbon monooxit và hidro gọi là khí than nước.

C + H2O <=> H2 + CO.

Sau đó, trộn khí than ấy với hơi nước và cho hỗn hợp đi qua xúc tác (Fe2O3 hoạt hóa bằng NiO) ở 450 độ C.

CO + H2O <=> H2 + CO2.

Đây là phản ứng phát nhiệt nên không thể đốt nóng hỗn hợp phản ứng ở nhiệt độ cao hơn nữa. Để làm cân bằng phản ứng dịch chuyển về bên phải, người ta lấy hơi nước rất dư so với CO, thường gấp 4 hay 5 lần.

Rửa hỗn hợp cacbonic và Hidro với nước ở áp suất 25 atm, CO2 sẽ tan vào nước, còn lại khí H2.

Trong phương pháp đi từ khí thiên nhiên, cho hỗn hợp khí thiên nhiên và hơi nước đã đốt nóng đến 1000 độ C qua xúc tác Niken:

CH4 + H2O <=> 3H2 + CO

Để giữ cho xúc tác không bị nhiễm độc, cần loại sạch hợp chất của lưu huỳnh trong khí thiên nhiên. Để lấy riêng khí H2 ra, người ta cũng chế hoá hỗn hợp CO và H2 như trên.

Khí bay lên ở lò luyện cốc hay còn gọi là khí lò cốc thường chứa khoảng 50% Hidro, 25% metan, 5% cacbon monooxit, 5% cacbonic, 10% nitơ và 5% các hidro cacbua. Các khí có nhiệt độ sôi rất khác nhau nên khi hoá lỏng phân đoạn khí lò cốc, người ta có thể tách từng khí.

Phương pháp điện phân nước cho Hidro rất tinh khiết nhưng đắt tiền. Trong công nghiệp người ta điện phân dung dịch khoảng 25% KOH hay NaOH ở trong nước, hidro bay lên ở cực âm và oxi ở cực dương.



8. Ứng dụng

Ngọn lửa của hidro cháy trong oxi tinh khiết có nhiệt độ khoảng 2500 độ C. Trong thực tế người ta dùng đèn xì hidro - oxi để nấu chảy platin, thạch anh và chế ruby nhân tạo từ nhôm oxit.

Do tính nhẹ nên Hidro trước đây đã được dùng để bơm vào khí cầu. Trong đại chiến thế giới II, những khí cầu hidro mang bom nổ trên không được kết lại tạo thành lưới bảo vệ thành phố khỏi bị máy bay tới ném bom. Trong cuộc kháng chiến chống Mỹ nhân dân ta đã dùng khí cầu hidro để cản máy bay phản lực. Trong khí tượng, khí cầu hidro dùng vào mục đích thám không. Thời gian gần đây, người ta khôi phục việc sử dụng khí cầu vào vận tải hành khách và hàng hoá.

Một phần rất lớn hidro dùng trong ngành công nghiệp hoá học để tổng hợp amoniac, rượu metylic, axit clohidric, nước, chế hoá dầu mỏ, còn phần nhỏ để hidro hoá các hợp chất hữu cơ, ví dụ như chất béo.

Hidro lỏng được dùng làm nhiên liệu tên lửa. Tên lửa dùng để phóng các tàu con thoi Columbia đã dùng 1457 m3 hidro lỏng và 541 m3 oxi lỏng. Gần đây người ta đã nghiên cứu thành công việc dùng hidro lỏng làm nhiên liệu chạy ôtô, không ô nhiễm môi trường.

Deuteri được dùng để làm chất làm chậm neutron trong lò phản ứng hạt nhân và nhiên liệu nhiệt nhân. Trong hoá học, deuteri được dùng nghiên cứu cơ chế các phản ứng.

Hidro nguyên tử được dùng vào việc hàn kim loại. Trong đèn xì hidro nguyên tử người ta cho dòng khí hidro đi qua hồ quang điện được tạo nên giữa hai thanh vonfram. Ở đó hidro phân tử bị phân huỷ thành hidro nguyên tử. Những nguyên tử này kết hợp với nhau trên bề mặt kim loại kề sát ngọn lửa và phát ra nhiều nhiệt làm tăng vọt nhiệt độ của ngọn lửa hidro. Bằng cách này, kim loại có thể được đốt nóng tới 4000 độ C. Ưu điểm của đèn xì hidro nguyên tử là ngọn lửa nóng đều, có tính khử và cho phép hàn những chi tiết kim loại rất nhỏ.



Tài liệu:

1. wikipedia.
2. Hóa học vô cơ - Vũ Đăng Bộ, Triệu Thị Nguyệt.
3. HÓa học nguyên tố- Hoàng Nhâm.