4.1. ĐƯA NGUYÊN TỐ KHÍ TRƠ VÀO HỆ THỐNG TUẦN HOÀN
Một vấn đề thú vị được đưa ra là D.I.Mendeleev đã tiên đoán sự tồn tại của các nguyên tố trơ và chúng có phải là chất khí hay không? D.I.Mendeleev rất chú ý phân tích khối lượng nguyên tử các nguyên tố để có thể kết luận rằng giữa mỗi halogen và kim loại kiềm tiếp theo về nguyên tắc thì có thể có một nguyên tố trung gian nào đó chưa được biết đến. Vậy có nghĩa là ông đã tiên đoán. Như vậy, tính chất của các nguyên tố này như thế nào? Không có cơ sở nào để kết luận, nhưng Mendeleev không lường trước được có một phương án thứ ba: những nguyên tố này sẽ trơ về mặt hóa học.
Vào cuối năm 1884, N.A.Morozop bị chính quyền nhà vua bắt cầm tù vì tham gia hoạt động cách mạng. Nỗi buồn phiền trong nhà tù giúp ông làm quen với hệ thống bảng tuần hoàn của Mendeleev. Tương tự như phương án thứ hai của Mendeleev ông đã lập ra một bảng gồm tám hàng dọc với các loại cacbuahiđrô cũng như gốc của chúng và bảy hàng ngang. Thật ngạc nhiên là ông rút ra một kết luận không ngờ: các hợp chất cacbuahiđrô trơ về mặt hóa học (kém hoạt hóa). N.A.Monozop dự đoán rằng trong thiên nhiên tồn tại những nguyên tố trơ, chúng phải là những chất khí và nên tìm chúng trong không khí.
Ngày 24 tháng 10 năm 1868 trong phiên họp của viện hàn lâm khoa học Pari, họ đã thông báo rằng trong phổ của phần lõi Mặt Trời có một vạch vàng và kết luận rằng nó thuộc về một nguyên tố đặc biệt trên vũ trụ người ta gọi đó là Heli tên của Mặt Trời thời cổ đại.
Trong thập niên của những năm 1880, D. Relay - nhà Vật lý học người Anh - đã nghiên cứu tỷ trọng của các chất khí. Sau đó, Ramsay tiếp tục nghiên cứu thật tỉ mỉ những vấn đề của Relay. Ông lấy một lượng xác định không khí, đuổi hết oxi và nito, thu được một ít cặn. Ông cho cặn đó vào ống thủy tinh, cho dòng điện chạy qua, dùng kính quang phổ quan sát cặn khí này bị đun nóng. Ông thấy một vạch mới không giống với một trong những nguyên tố đã phát hiện. Điều đáng nói là nó không có chỗ trong bảng hệ thống tuần hoàn.
Cuối cùng, ông nảy ra một ý nghĩ rằng có thể bảng hệ thống tuần hoàn đã bỏ qua một cột dọc các nguyên tố vì Mendeleev không có chìa khóa để cho phép ông đưa ra cột ấy. Ông đặt tên các chất khí do mình khám phá ra là Agon (nghĩa là “trơ”) bởi vì nó không màu, không mùi vị, không tham gia phản ứng.
Một năm sau, Ramsay lại khám phá ra chất khí mới trong lúc đun nóng một quặng kí hiếm là Cleveite. Nó hoàn toàn giống phổ của Heli quan sát ở Mặt Trời, tiếp tục nghiên cứu cùng với cộng sự Treve (sinh viên của ông) đã thu được Heli từ không khí.
Trong vòng một thời gian rất ngắn sau đó, họ đã khám phá ra 3 nguyên tố mới có tên gọi là: Neon (nghĩa là “mới”), Cripton (nghĩa là “ẩn nấp”), và Xeon (nghĩa là “không quen biết”).
He Ne Ar Kr Xe Rn
Năm 1901, Exơ Đôn khám phá ra chất khí trơ cuối cùng. Đôn khẳng định chất khí được tạo ra do sự phân rã phóng xạ của Rađi là thành viên cuối cùng và là nguyên tố nặng nhất của họ khí trơ, người ta gọi nó là Rađon.
Phương pháp suy luận của N.A.Monozop và Ramsay đã thành công trong việc tiên đoán những điều mà ngay chính tác giả chưa làm được một cách hoàn chỉnh. Có lẽ các nguyên tố này rất hiếm trên Trái Đất nên nó bị phát hiện khá muộn và chưa có một nguyên tố nào được khám phá trước Mendeleev. Một số nhà bác học không tin vào hệ
GVHD:Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh 19 SVTH: Võ Đức Yến Ngọc thống của D.I.Mendeleev đã cố gắng giải thích những phát minh của các nguyên tố khí trơ như một đòn đánh vào hệ thống của Mendeleev hay là một sự cải chính đối với hệ thống này. Mendeleev đã gọi các nhà bác học phát minh ra những nguyên tố mà ông đã dự đoán là “những người củng cố” định luật tuần hoàn. Sự phát minh ra các nguyên tố khí trơ đã bổ sung cho hệ thống tuần hoàn các nguyên tố của Mendeleev bằng các nguyên tố kết thúc chu kỳ, chúng là những nguyên tố chiếm vị trí trung gian giữa những á kim điển hình và những kim loại điển hình.
Cuối cùng, cuối thế kỉ XIX, niềm vinh quang danh tiếng khắp thế giới đã đến với D.I.Mendeleev, khi định luật của ông được củng cố đầy đủ. Định luật tuần hoàn là định luật hoàn toàn mới, một định luật của tự nhiên được xây dựng chặt chẽ. Thật vậy, vinh quang nào cũng phải trải qua đắng cay, thử thách; cái chính là họ có vượt qua được nó hay không? Có biết bao thử thách mà bảng tuần hoàn phải trải qua, sau mỗi lần như vậy bảng hệ thống tuần hoàn của Mendeleev càng trở nên vững vàng, toàn diện hơn.
4.2. CHẾ TẠO VÀ PHÁT HIỆN CÁC NGUYÊN TỐ MỚI
Đầu thế kỉ XX (1937) tổng số các nguyên tố được biết đến lúc bấy giờ là 88. Urani nằm ở ô 92 là nguyên tố nặng nhất trong các nguyên tố; từ đó rút ra rằng trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev còn bốn ô tương ứng với số thứ tự 43, 61, 85, 87. Mọi cố gắng phát hiện những nguyên tố này trong tự nhiên đều không đạt kết quả.
Những ô trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev mãi đến thời kỳ 1937 - 1940 mới được lấp đầy.
Và trong 4 nguyên tố này thì có 3 nguyên tố thu được bằng con đường nhân tạo, nhờ các phản ứng hạt nhân. Chỉ có nguyên tố nằm ở ô 87 là được tìm thấy trong tự nhiên.
Chúng ta cùng tìm hiểu xem các nguyên tố đó được điều chế như thế nào?
4.2.1. Tecnơxi ( Tc)
Nguyên tố này có trong tự nhiên với một lượng rất nhỏ, mãi đến năm 1937 bằng con đường nhân tạo thì điều đó mới được xác định chắc chắn. Nguyên tố này hoàn toàn không có trong tự nhiên, chính là do nó không bền, tức có tính “phóng xạ”. Hình như có một quy luật lần đầu tiên được Sucarév phát hiện. Theo quy luật này thì không thể tồn tại những đồng lượng (những nguyên tố có cùng khối lượng), mà cả hai đều bền, nghĩa là một trong hai chúng phải không bền.
Xét hai nguyên tố lân cận về số thứ tự trong bảng tuần hoàn, thì nguyên tố ở ô 43 cần phải có khối lượng nguyên tử vào khoảng 99, là giá trị trung gian giữa khối nguyên tử các nguyên tố lân cận theo hệ thống: ô 42 là Molypden (Mo) (95,95) và nguyên tố ô 44 là Rutêni (Ru) (107,7). Những đồng vị có thể có của ô 43 cần phải có số khối gần số 99, nằm trong khoảng 96 → 102.
Hơn thế nữa, tất cả các ô số, cả hai phía số 99 và cả số 99 đều được chiếm bởi những số khối các đồng vị bền hoặc là của Molypden hoặc của Rutêni.
Bởi vậy đồng vị của nguyên tố ô 43 này phải không bền. Nguyên tố này được điều chế ở Mỹ bằng cách bắn phá các đồng vị Molypden có số khối từ 94 → 97 bởi các đơtêron:
Mo + D → Tc + n
Nguyên tố này được E.Xêgre và K.Periê phát hiện và nó được gọi là Tecnexi (Tc) để chào mừng sự thành công của kỹ thuật. Khi ở trong phân nhóm Mangan (Mn), Tecnexi (Tc) giống Mangan (Mn) và càng giống Reni hơn.
Số khối của đồng vị bền nhất trong các đồng vị của nó là 99.
4.2.2. Prômêti (Pm)
Nguyên tố ô 61 là nguyên tố thứ tư trong số các Lantanit, không có trong tự nhiên nhiên do tính phóng xạ giống như Tecnexi.
GVHD:Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh 20 SVTH: Võ Đức Yến Ngọc Hai nhà bác học M.Pun và L.Kvin đã điều chế được nguyên tố nhân tạo khoảng năm 1938, bằng cách bắn phá các đồng vị của Nêodi bởi các đơtêron:
Nd + D → E + n
Với A là số khối, nhưng các nhà bác học này không thành công khi tách và xác định bản chất của nó. Năm 1947 L.Glendennhin và I.Marinski (người Mỹ) đã phát minh ra Nêodi, từ sản phẩm phân chia Urani trong lò hạt nhân. Họ đặt tên nguyên tố này là Prômêti (Pm), để tỏ lòng kính trong người anh hùng Prômêtê trong thần thoại Hy Lạp.
là đồng vị bền nhất, thường có hóa trị 3 và giống Lantan.
4.2.3. Atatin (At)
Vị trí của nguyên tố này là ô 85, Mendeleev đã tiên đoán năm 1870 với tên gọi là Êcaiôt, thuộc họ Halogen (giống Iôt). Atatin được xem là nguyên tố phóng xạ, bởi vì hạt nhân của nó lớn hơn của Bitmut.
Nhiều nhà bác học đã kiên trì nghiên cứu tìm nguyên tử này trong tự nhiên nhưng mãi không tìm được.
Đến năm 1940, nguyên tố được tổng hợp nhân tạo tại Mỹ, do D.Cocxơn, K.Mackenzi và E. Xêgre. Các nhà bác học này dùng tia để bắn phá hạt nhân Bitmut.
Bi + He → 2 E + At
Nguyên tố này được đặt tên theo tiếng Hy Lạp có nghĩa là không bền, có chu kỳ phân hủy 7,5 giờ và số khối là 211. Tuy lượng sản phẩm rất ít, nhưng các nhà khoa học này đã nghiên cứu được một số tính chất hóa học và nhận thấy nó giống Iôt, tính kim loại thể hiện yếu.
Họ tìm ra một đồng vị nữa là At là đồng vị bền nhất, có chu kỳ phân hủy lớn hơn một ít là 8,3 giờ. Cũng vào thời gian này, các nhà khoa học Áo thuộc viện Rađi Viên đã thành công trong việc tìm Atatin trong tự nhiên.
Để giải thích điều này, chúng ta lưu ý rằng khi nghiên cứu các dãy phóng xạ tự nhiên (hai dãy Urani và Thori) thì trong số những đồng vị phóng xạ trung gian, cũng thấy xuất hiện đồng vị 215At với chu kỳ phân hủy 10-4 giây; 216At với chu kỳ phân hủy 3.10-4 giây… Cho đến nay đã biết được 20 đồng vị Atalin, phần nhiều có chu kỳ phân hủy rất bé. Lớn nhất là đồng vị 210 với chu kỳ phân hủy 8,3 giờ.
4.2.4. Franxi (Fr)
Khác với ba nguyên tố đứng trước nó, không được phát hiện bằng phản ứng hạt nhân. Ô số 87 là ô trống cuối cùng trong bảng các nguyên tố tính từ Hiđrô đến Urani.
Nguyên tố Franxi (Fr) thuộc dãy kim loại kiềm. Nó được tìm thấy vào năm 1939, khi nghiên cứu cẩn thận các sản phẩm phân rã phóng xạ hạt nhân đồng vị Actini có số khối 227. Vinh dự phát minh ra nguyên tố này là nữ bác học Magarit Perê người Pháp và bà gọi nguyên tố này là Franxi để kỷ niệm quê hương của mình. Bà nghiên cứu rất chi tiết tính chất phân hủy phóng xạ của các hạt nhân đồng vị Actini Ac. Trước bà nhiều người cho rằng đồng vị này chỉ phát ra tia β (tia điện tử). Nhưng Perê quan sát thấy rằng trong 1000 trường hợp phóng xạ thì có 12 trường hợp hạt nhân Ac không chỉ phát ra tia β mà còn phát ra tia α theo phương trình:
Ac → He + Fr
Như vậy, sự phân hủy hạt nhân đồng vị Actini rất độc đáo vừa cho ra tia β vừa cho ra tia α, số khối đồng vị bền hơn hết của nó bằng 223:
Fr
Th
GVHD:Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh 21 SVTH: Võ Đức Yến Ngọc