Những nguyên tố hóa học được lịch sử ghi nhận có từ thời xa xưa bao gồm 7 kim loại: vàng, bạc, đồng, sắt, thiếc, chì, thủy ngân; và 2 phi kim: cacbon và lưu huỳnh. Bằng cách nào mà người thời tiền sử có thể nhận ra các nguyên tố đó? Hãy cùng TopChuan.com khám phá nhé.
Thủy ngân (Hg)
Thủy ngân được tìm thấy trong các ngôi mộ cổ Ai Cập cách đây 3000 năm TCN. Nước nổi tiếng về khai thác thủy ngân là Tây Ban Nha. Ở đây, trên vùng núi cao, dưới các hố sâu, người ta tìm thấy thủy ngân tự sinh. Chỉ cần những thao tác đối chọi giản là có thể lấy thủy ngân khỏi quặng vì nguyên tố này kém hoạt động hóa học.
Có kim loại nào trên thế giới này mà cả mùa hè và mùa đông đều ở trạng thái lỏng? Chất lỏng nào nặng hơn thủy ngân? Có kim loại nào hòa tan được các kim loại khác ở nhiệt độ thường? Danh từ hỗn hống dùng để chỉ hợp kim của thủy ngân với các kim loại khác. Và nhờ hỗn hống (sự hòa tan các kim loại vào thủy ngân) mà nhiều mái vòm nhà thờ có thể được phủ bằng vàng thật (vì việc làm một mái vòm bằng vàng rất khó vì cấu trúc của vàng không phù hợp với việc xây dựng mái vòm lớn như vậy). Người ta hòa tan vàng vào thủy ngân, quét dung dịch lên tấm đồng mỏng làm mái vòm, đun nóng cho thủy ngân bay hơi, còn lại vàng. Thủy ngân còn có đặc điểm đặc biệt là không dính ướt, nên chúng sẽ cuộn lại những khối cầu bạc rất đẹp.
Thủy ngân là một chất rất độc và để cảnh báo về độ nguy hiểm của nó thì nhiều người nói là chạm vào thủy ngân sẽ gây vô sinh. Tuy nhiên, khi một ít thủy ngân chạm vào da thì sẽ gây dị ứng, mẩn đỏ.
Vào thế kỉ XVI vua Thụy Điển Erich XIV bị người em cướp ngôi. Lịch sử ghi lại rằng nhà vua có thể bị đầu độc. Nhưng không thể chứng minh được. Đến mãi 4 thế kỉ sau, bằng phương pháp phân tích tinh vi mới xác định được nhà vua bị đầu độc bằng thủy ngân, vì hàm lượng thủy ngân trong tóc gấp nhiều lần bình thường.
Còn câu chuyện của vua nước Anh Charles II thế kỉ XVII, hồi ấy ấy nhà vua có phòng thí nghiệm riêng trong cung đình. Ông ta nung nóng, chưng cất thủy ngân, chất rất phổ biến thời kì Giả kim thuật. Sau 1 thời gian, ông ta trở nên cáu kỉnh, co giật, viêm thận – dấu hiệu của nhiễm độc hơi thủy ngân.
Năm 1810, khi chiếc tàu thủy nước Anh Triumph chở thủy ngân. Có 1 thùng bị vỡ và thủy ngân chảy láng ra ngoài, hơn 200 người bị ngộ độc.
Thiếc (Sn)
Thiếc được sử dụng từ khoảng 3000 – 4000 năm TCN.
Về thiếc thì có 2 câu chuyện thú vị sau đây:
Tiếng kêu của thiếc
Giả sử bạn có hai cái que giống nhau. Một cái là que hàn và một cái là que thiếc. Vậy bạn sẽ làm thế nào để phân biệt hai que ấy bằng một phương pháp vật lí đối chọi giản? Bởi 2 cái que này đều có màu ánh bạc, giống nhau về sức nặng và độ mềm.
Để phân biệt được hai que này, thì bạn chỉ cần đưa chúng lên tai và nghe âm thanh khi uốn cong của chúng. Que thiếc khi bị bẻ cong thì sẽ phát ra tiếng nổ giòn đặc trưng. Đó là do sự chuyển dịch và biến dạng của các tinh thể tạo thành thiếc trắng gây nên. Hiện tượng này không xảy ra khi uốn một que thiếc hàn hay bất kì hợp kim nào của thiếc.
Bệnh dịch thiếc
Bàn tay của người quản lí quân nhu run run mở cánh cửa nhà kho. Sự có mặt bất ngờ của viên thanh tra không hứa hẹn với anh điều gì tốt lành cả. Tuy nhiên anh vẫn giữ vẻ bình tĩnh và lễ phép trên nét mặt.
– Chúng tôi còn giữ những chiếc khuy bằng thiếc để đính vào áo của binh lính. – Người quản lí vừa mở rộng kho vừa báo cáo.
– Nào, xem anh bảo quản chúng ra sao. Mở hòm ra.
Vẫn nét mặt tôn kính, người quản lí vội vã đi tới cái hòm, lấy tay giật lấy nắp hòm và… lặng người đi vì sửng sốt: chiếc hòm đầy ắp đến tận miệng, nhưng không phải những chiếc khuy bằng thiếc lóng lánh có hai đầu con đại bàng, mà là một loại bột màu xám xám nào đó.
– Thế những hòm khác của anh cũng có những chiếc khuy như thế này à?
Người quản lí sợ hãi vì hòm nào cũng chất đầy loại bột ấy. Mặc dù ngoài trời lạnh ghê ghớm nhưng người quản lí cảm thấy mặt mình nóng ran. Viên thanh tra tức giận gửi vài mẫu bột gửi về phòng thí nghiệm của ông ta. Vài ngày sau, khi nhận kết quả, viên thanh tra kinh ngạc: chất bột gửi về phân tích chính là thiếc! Vậy chuyện gì đã xảy ra?
Ở nhiệt độ 13,2 độ C thôi, thiếc trắng chuyển thành thiếc xám. Thiếc xám không ở dạng tinh thể mà ở dạng bột. Cúc áo biến mất do sự chuyển dạng thù hình của thiếc trắng sang thiếc xám.
Và hiện tượng này được đặt tên là bệnh dịch thiếc.
Cacbon (C)
Kim cương và than chì vốn được biết từ xa xưa và đều có ở dạng tự nhiên trong vỏ Trái Đất. Than chì còn được gọi là grafit vì grafo trong theo tiếng Hi Lạp có nghĩa là viết.
Cacbon thì có 2 câu chuyện thú vị sau:
Vì sao chọn đồng vị cacbon 12 trong thang đo khối lượng nguyên tử (KLNT) của nguyên tố hóa học (NTHH)?
Đầu tiên vào năm 1803, vì hidro là nguyên tố nhẹ nhất nên được chọn làm đối chọi vị KLNT. Nhưng vì đa số các NTHH đều dễ dàng tạo hợp chất với oxi dưới dạng oxit nên thực tế tính toán KLNT, người ta phải so sánh chúng với KLNT của oxi. Từ đó 1/16 KL của nguyên tử oxi được nhận làm đối chọi vị đo KLNT và gọi là đối chọi vị oxi.
Với sự tiến bộ của khoa học, mâu thuẫn mới xuất hiện. Đầu thế kỉ XX, người ta xác định oxi thiên nhiên là hỗn hợp của các đồng vị. Các nhà khoa học vẫn coi đối chọi vị oxi là 1/16 của oxi thiên nhiên (tức là tất cả các đồng vị của oxi), nhưng đối với vật lí nguyên tử thì đối chọi vị này không chính xác và các nhà vật lí thừa nhận đvO bằng 1/16 của đồng vị oxi 16.
Đơn vị đo lường mà có 2 thang là thang vật lí và thang hóa học. Giải quyết mâu thuẫn đó, Hội nghị quốc tế quyết định chuyển sang chọn cacbon vào năm 1961. Ưu điểm là cacbon thiên nhiên chỉ có 2 đồng vị bền là C-12 và C-13 và số đồng vị C-12 chiếm tới 98,892% tổng số nguyên tử cacbon.
Vì vậy từ năm 1961 các nhà bác học thống nhất chọn đối chọi vị KLNT là 1/12 nguyên tử C-12 kí hiệu đvC.
Dùng đồng vị C-14 để xác định niên đại của di vật khảo cổ nguồn gốc thực vật
Tia vũ trụ rất nguy hiểm do phát ra hạt nơtron. Nhờ lớp khí ozon O3 ở tầng cao khí quyển mà chặn được tia vũ trụ không xuống mặt đất. Hạt nơtron vũ trụ khi tác dụng với đồng vị N-14 tạo thành đồng vị C-14. Đồng vị C-14 không bền bị phân hủy trong tự nhiên với chu kì bán hủy T=5570 năm.
Nhờ có hiện tượng quang hợp mà cây cối hấp thụ khí CO2 trong khí quyển để sinh trưởng. Trong khí CO2 có phần rất bé là 14CO2 (cứ 1 triệu phân tử CO2 bình thường thì có 1 phân tử CO2 chứa đồng vị không bền 14).
Vì phản ứng tạo C-14 trong khí quyển là liên tục nên khi cây cối còn sống, hàm lượng C-14 coi như không đổi. Khi cây chết đi, không còn hiện tượng quang hợp, lượng C-14 giảm dần theo chu kì bán hủy nói trên.
Nếu lấy 1 mảnh gỗ cùng loại, kích thước, nhưng mới nguyên so với mảnh gỗ của áo quan trong các ngôi mộ cổ thì biết ngay số lượng C-14 còn lại bao nhiêu. Và chúng ta có thể tìm ngay được niên đại ngôi mộ.
Lưu huỳnh (S)
Trong thiên nhiên có nhiều mỏ lưu huỳnh. Đó là một trong những các lí do khiến con người sớm biết đến chúng. Chúng thường được tìm thấy gần nơi núi lửa hoạt động, ở dưới lòng đất.
Trong SGK, các bạn hẳn đã biết phương pháp điều chế lưu huỳnh từ tự nhiên. Đó là phương pháp Frasch. Về phương pháp này thì có câu chuyện vui như sau:
Năm 1890, một kĩ sư tên là Herman Frasch quyết định dùng một phương pháp khác thường để khai thác lưu huỳnh dưới lòng đất 150 m. Qua lỗ khoan tới lớp đất chứa lưu huỳnh, anh ta thả một cái ống 2 lần bán kính 15 cm và cồng cái ống khác nhỏ hơn 2 lần bán kính 8 cm. Anh lý luận nếu bơm nước nóng qua ống lớn thì lưu huỳnh ở đấy sẽ nóng chảy và có thể bơm lên mặt đất theo ống nhỏ. Lúc bấy giờ phương pháp này có vẻ lạ thường và táo bạo tới mức nổ ra tranh cãi sôi nổi. Và có một “nhân vật nổi tiếng” không tin phương pháp này và hứa trước công chúng rằng anh sẽ ăn hết tất cả lượng lưu huỳnh mà Frasch khai thác được.
Chẳng bao lâu một dòng chất lỏng thực sự chảy ra từ lỗ khoan lên mặt đất và chỉ trong ngày đầu tiên đã tạo ra cả núi lưu huỳnh có chất lượng tốt. Nhưng tất nhiên là không thể ăn được. “Nhân vật nổi tiếng” của chúng ta đã lúng túng biết bao!
Và tất nhiên sau nhiều lần cải tiến ta đã có phương pháp khai thác lưu huỳnh từ lòng đất như ngày nay.
Sắt (Fe)
Trong một trong những những buổi sinh hoạt CLB sinh viên, bỗng một cô gái hỏi: “Sắt có từ khi nào?”. Chạm đúng vào chuyên môn, anh chàng sinh viên khảo cổ học trả lời ngay:” Khoảng nghìn năm TCN, khi con người lần đầu đầu tiên biết luyện sắt từ quặng, mở thời kì đồ Sắt.
Cô gái mỉm cười: “Nhỡ con người biết sắt còn trước nữa cơ thì sao?”.
“Không thể được”, Chàng sinh viên khảo cổ trả lời, trước đó là thời đại đồng thanh. Con người biết làm ra công cụ và vũ khí bằng đồng nhưng vẫn chưa thể từ bỏ công cụ bằng đá, bởi lẽ đồng thanh vẫn còn chưa đủ cứng. Chỉ khi sắt xuất hiện thì công cụ bằng đá mới trở thành vật bảo tàng. Mọi người vỗ tay hoan hô trước lời hùng biện của anh chàng này.
Nhưng thật ra cô gái đã đúng. Sắt là kim loại hoạt động mạnh nên hầu hết quặng sắt đều là quặng oxit và pirit. Sắt tự do là nhờ của Trời cho. Đó là những thiên thạch rơi xuống Trái Đất.
Phân tích cho thấy sắt từ thiên thạch có chứa nguyên tố niken và coban. Vậy nên sắt, coban, niken là ba anh em ruột khai sinh từ thiên tào, và khi hạ giới ở ba hộ liền nhau trong bảng HTTH của Mendeleev. Và cứ trung bình 20 mươi thiên thạch rơi xuống Trái Đất thì một là kim loại sắt.
Cái khó khăn nhất đối với con người tiền sử trong việc nấu quặng sắt là nhiệt độ. Vì sắt có nhiệt độ nóng chảy rất cao: 1539 độ C. Than củi không thể đủ nhiệt để đạt tới nhiệt độ này, cho dù họ đã cố gắng đào hố trên núi, bố trí thoáng gió… Chỉ đến khi có những bí quyết xây lò cao đủ nóng được tìm ra ở Anatolia khoảng 1500 năm TCN thì mới từ từ chuyển sang thời kì Đồ Sắt.
Fullerene và ống nanocacbon
Từ lâu ta đã biết có 2 dạng cấu trúc tinh thể của cacbon là kim cương và grafit. Nhưng từ năm 1970 đã có những nhà khoa học nêu ra khả năng tồn tại của cacbon dạng cấu trúc tinh thể mặt cầu kín.
Năm 1985, một nhóm nghiên cứu bao gồm Harold Kroto, Sean O’Brien, Robert Curl, Richart Smalley đang nghiên cứu điều kiện hóa học bên ngoài không gian, dùng lazer và quang phổ hiện đại. Họ tìm kiếm bằng chứng tiết lộ bản chất hóa học của vật chất liên sao. Nhưng thay vào đó học đã tìm thấy một thứ khác giúp họ đạt giải Nobel hóa học năm 1996. Năm 1985, trong 1 tuần, họ đã phát hiện ra 1 nhóm nguyên tử gồm 60 nguyên tử cacbon đặc biệt có tới 60 nguyên tử. Nó có cấu trúc giống với quả bóng tròn. Đây có thể là kết tinh thứ 3 của cacbon gọi là fullerene hay bóng Bucky dựa vào tên của kiến trúc sư người Mĩ Richard Buckminster-Fuller (1895 – 1983). Vì ông đã dùng kiến trúc này để xây mái nhà và phòng trưng bày. Ngày nay ngoài C60 người ta đã tìm ra được C70, C76, C84, C90, C94.
Đến năm 1991, ý nghĩa của fullerene mới trở nên to lớn khi nhà khoa học Nhật Bản Osawa Eiji khám phá ra cấu trúc dạng lồng đặc biệt khác. Đó là C60 có dạng hình ống được gọi là nano cacbon. Vật thể này có đặc tính đáng kinh ngạc. Nó cứng hơn cả kim cương, khả năng kéo căng gấp 100 lần thép, là loại sợi cứng nhất mà người ta có thể tạo ra được. Thế mà nó còn nhẹ hơn hơn thép 6 lần.
Vàng (Au) và thuật giả kim
Vàng được lấy tên La Tinh là aurora có nghĩa là rạng đông. Không chỉ với người cổ đại mà cả hiện nay, vàng là kim loại hoàn mỹ và tuyệt đẹp. Người ta đã tìm ra một khuôn mặt bằng vàng nguyên chất trong lăng tẩm Ai Cập có từ niên đại thế kỉ XIV TCN.
Sự hoàn mỹ của vàng đã khiến con người có ý muốn biến các kim loại thường thành vàng. Và từ đó thuật giả kim ra đời. Giả kim thuật sử dụng quan điểm của Aristoteles, một nhà triết học thế kỉ IV trước công nguyên làm cơ sở lý thuyết: có thể chuyển hóa được chất này thành một chất khác, kim loại này thành kim loại khác. Trong suốt 12 thế kỉ Trung cổ, ngành giả kim đã kìm kẹp sự phát triển của ngành hóa học.
Tất nhiên là bằng phương pháp hóa học không thể biến kim loại thành vàng được, vì muốn biến kim loại thường thành vàng phải đụng vào hạt nhân nguyên tử.
Vậy ngày nay con người có thể biến một kim loại khác thành vàng không?
Đó là dùng hạt nơtron bắn vào hạt nhân thủy ngân có đồng vị 196 (Hg-196). Và có thể biến thủy ngân thành vàng. Vậy tại sao họ không dùng phương pháp này để tạo ra vàng nhân tạo giống như kim cương. Đó là vì phương pháp này quá đắt không thể chấp nhận được.
Vàng trong nước biển
Trong đại dương không chỉ có các muối hòa tan mà còn có cả vàng nữa. Chỉ riêng sông Amua hàng năm trút vào Thái Bình Dương khoảng 8,5 tấn vàng. Các đại dương trên thế giới chứa vào khoảng 8 tỉ tấn vàng. Nhưng bạn nên nhớ nước trong đại dương là vô tận. 1 tấn nước biển chỉ có 0,01 – 0,05 mg vàng.
Còn nữa, chúng ta đã thấy những dây chuyền vàng thanh gần như sợi chỉ, bởi 1 g vàng có thể kéo thành 1 sợi dài 2 km.
Chì (Pb)
Những khai quật cho thấy con người đã tìm thấy chì 3000 – 4000 năm TCN. Đó là những đồng tiền, bức tượng… Cả vườn treo Babylon cổ đại cũng có ống dẫn nước bằng chì.
Người đời xưa thường nhầm lẫn chì với thiếc cho đến thời Giả kim thuật trước thế kỉ XVII. Dấu vết của sự lẫn lộn đó được tìm thấy trong ngôn ngữ của một số ít nước Đông Âu như Ba Lan, Tiệp Khắc. Chì không có ở trạng thái tự do, nên con người đã biết luyện chì từ rất xa xưa. Quặng chì chủ yếu là quặng sunfua PbS, quặng PbCO3, và nhiệt độ nóng chảy của chì chỉ khoảng 327 độ C.
Chì là một trong những số những kim loại mềm. Người ta đã tìm thấy những bức thư cổ viết trên tấm chì, được cuộn lại bỏ vào ống ở những thế kỉ V, VI TCN.
Vì sao một số ít tác phẩm nghệ thuật cổ lâu ngày lại hóa đen?
Sơm màu dùng để vẽ tranh thường có hợp chất của chì. Những tác phẩm nghệ thuật dần thẫm đi vì trong không khí có chứa hidro sunfua H2S, chuyển hợp chất của chì thành PbS có màu đen.
Nếu dùng dung dịch hidro peroxit H2O2 để rửa thì sẽ thành chì sunfat có màu trắng:
PbS + 4H2O2 —> PbSO4 + 4H2O.
Tại sao có chì trong xăng?
Không phải trong xăng có tạp chất của chì mà chì vốn được cho vào trong xăng để chống nổ. Khi đã có hỗn hợp gồm nhiên liệu (xăng) và không khí (có O2) chỉ cần có tia lửa điện bugi bắn ra là sẽ làm phản ứng cháy xảy ra làm chuyển động pittong của động cơ. Nhưng mà có nhiều loại động cơ công suất khác nhau do khả năng nén hỗn hợp nhiên liệu mạnh hơn trước khi có tia lửa điện. Nhưng điều này có thể gây nổ bất thần. Để tránh nổ người ta phải cho vào xăng một chất lỏng chống nổ: chì tetraetyl Pb(C2H5)4. Không cần nhiều, chỉ 1g cho 1 lít xăng.
Điều đáng nói là hợp chất này rất độc nên mọi người tuyệt đối không dùng miệng để hút ống xi phông để lấy xăng.
Có thể bạn thích:
