Antoine Lavoisier: Người đặt nền móng cho hóa học hiện đại

Antoine Lavoisier sinh ra trong một gia đình giàu có tại thủ đô Paris, Pháp vào ngày 26/8/1743. Cha của ông là một luật sư nổi tiếng làm việc trong Nghị viện Pháp. Từ năm 11 đến 18 tuổi, Antoine theo học tại Collège des Quatre-Nations, một trường trực thuộc Đại học Paris. Ông đã học các môn đại cương ở đó, bao gồm nhiều môn liên quan đến khoa học trong hai năm cuối. Mặc dù cảm thấy hứng thú với lĩnh vực nghiên cứu khoa học, nhưng cuối cùng ông đã đăng ký vào khoa luật của trường đại học vào năm 18 tuổi, nhằm theo đuổi sự nghiệp giống như cha mình.

Trong thời gian học luật, Lavoisier vẫn duy trì sự quan tâm đối với khoa học bằng cách tham gia các bài giảng khoa học ngoài các bài giảng luật. Năm 1764, ông được cấp giấy phép hành nghề luật sư, đồng thời xuất bản bài báo khoa học đầu tiên của mình. Ông trở thành thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học Pháp vào năm 1769, khi đó ông chỉ mới 26 tuổi.

Năm 1772, Lavoisier cùng với một số nhà hóa học khác đã mua một viên kim cương và đặt nó trong một lọ thủy tinh đậy kín. Họ sử dụng một kính lúp khổng lồ để tập trung ánh nắng Mặt trời vào viên kim cương. Kết quả là viên kim cương bị đốt cháy và biến mất.

Lavoisier nhận thấy trọng lượng tổng thể của chiếc lọ không thay đổi, mặc dù tất cả viên kim cương đã biến mất. Quan sát này là một trong những bằng chứng thuyết phục giúp ông xây dựng định luật bảo toàn khối lượng sau này. Cho dù thấu kính khổng lồ đốt cháy kim cương hay than, sản phẩm tạo ra đều là một loại khí giống nhau – bây giờ chúng ta gọi nó là carbon dioxide (CO2). Lavoisier kết luận kim cương và than là các dạng khác nhau của cùng một nguyên tố. Ông đặt tên cho nguyên tố này là carbon.

Vào thế kỷ 17 – 18, hầu hết các nhà khoa học tin vào thuyết phlogiston do Johann Joachim Becher đề xuất năm 1667. Thuyết này cho rằng, thế giới vật chất không chỉ hình thành từ bốn nguyên tố theo niềm tin của người Hy Lạp cổ đại (đất, nước, không khí, lửa) mà còn có thêm một nguyên tố tương tự như lửa gọi là phlogiston. Nguyên tố này giải phóng trong quá trình bốc cháy của một vật chất để tạo thành vật chất khác. Đây là nguyên nhân khiến giới khoa học đương thời không hiểu bản chất của quá trình đốt cháy.

Hiện nay chúng ta biết rằng hiện tượng cháy xảy ra khi các chất phản ứng với oxy ở nhiệt độ cao. Nhưng vào năm 1772, khi Lavoisier bắt đầu nghiên cứu vấn đề này, người ta vẫn chưa khám phá ra khí oxy. Ông nhận thấy khi đốt cháy phốt pho hoặc lưu huỳnh trong không khí, các sản phẩm thu được đều có tính axit và chúng nặng hơn phốt pho hoặc lưu huỳnh ban đầu. Điều này cho thấy các chất đã kết hợp với một thứ gì đó trong không khí nhưng ông chưa thể xác định rõ.

Trong một thí nghiệm vào năm 1774, một nhà khoa học người Anh tên là Joseph Priestley đã tập trung ánh sáng Mặt trời qua thấu kính để làm nóng oxit thủy ngân (HgO). Quá trình này giải phóng một loại khí đặc biệt cho phép ngọn nến cháy sáng hơn và giúp con chuột sống lâu hơn bên trong lọ thủy tinh đậy kín. Cùng năm đó, Priestley đi du lịch đến Paris và trình diễn lại thí nghiệm của mình trước sự chứng kiến của Lavoisier. Priestley gọi sản phẩm giải phóng từ oxit thủy ngân là khí khử phlogiston.

Nhưng Lavoisier không tin vào sự tồn tại của thuyết phlogiston. Sau một loạt các thí nghiệm, Lavoisier xác nhận rằng Priestley thực chất đã tạo ra một loại khí tinh khiết từ oxit thủy ngân và ông đặt tên cho nó là oxy [một từ có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp nghĩa là “chất tạo axit”]. Ông nhận thấy oxy chiếm 20% không khí và nó rất quan trọng đối với quá trình đốt cháy và hô hấp. Ông kết luận khi phốt pho hoặc lưu huỳnh cháy trong không khí, sản phẩm tạo thành đều là do phản ứng của các nguyên tố này với oxy. Kể từ đây, cộng đồng khoa học bắt đầu thay thế thuyết phlogiston bằng khái niệm về các nguyên tố và hợp chất.

Năm 1778, Lavoisier phát hiện khi oxit thủy ngân bị nung nóng thì trọng lượng của nó giảm xuống. Khí oxy thoát ra có trọng lượng đúng bằng trọng lượng mất đi của oxit thủy ngân. Sau khi tiến hành thí nghiệm với nhiều hợp chất khác, bao gồm việc hồi tưởng lại thí nghiệm với carbon vào năm 1772, Lavoisier đã công bố một định luật cơ bản mới của tự nhiên – định luật bảo toàn khối lượng. Định luật này có nội dung như sau: “Vật chất được bảo toàn trong các phản ứng hóa học” hoặc “Tổng khối lượng sản phẩm trong một phản ứng hóa học ngang bằng với tổng khối lượng của các chất tham gia phản ứng ban đầu”.

Người ta thường nói Lavoisier là nhà khoa học đầu tiên phát biểu định luật bảo toàn khối lượng. Điều này không hoàn toàn chính xác, bởi vì một nhà khoa học khác tên là Jean Rey cũng từng xây dựng một định luật tương tự vào năm 1630. Định luật bảo toàn khối lượng chỉ trở nên vững chắc sau khi Lavoisier độc lập phát hiện ra nó với các bằng chứng khoa học vững chắc.

Lavoisier nghi ngờ rằng quá trình đốt cháy và hô hấp của sinh vật giống nhau về bản chất hóa học. Ông đã chứng minh điều này với sự giúp đỡ của Pierre-Simon Laplace. Hai nhà khoa học đã đo lượng khí CO2 và nhiệt lượng tỏa ra từ một con chuột lang khi nó thở, đồng thời so sánh với mức nhiệt sinh ra khi đốt cháy carbon để hình thành lượng khí CO2 tương tự. Kết quả cho thấy hô hấp là một hình thức đốt cháy. Nhiệt lượng do động vật có vú tạo ra trong quá trình hô hấp giữ cho cơ thể chúng cao hơn nhiệt độ phòng.

Năm 1782, Lavoisier cùng một số nhà hóa học nổi tiếng khác định ra quy tắc thống nhất về cách gọi tên hợp chất hóa học, đặt nền móng cho sự phân loại các chất.

Năm 1783, Lavoisier đã đặt tên “hydro” cho loại khí mà Henry Cavendish công nhận là một loại khí mới vào năm 1766. Khi đó, Cavendish chỉ đơn giản gọi nó là “khí dễ cháy”.

Trong một thí nghiệm khác cùng với Pierre-Simon Laplace, Lavoisier đốt cháy hydro với oxy và thu được sản phẩm là nước. Từ đó, Lavoisier xác định nước không phải là một nguyên tố hóa học. Thay vào đó, nước là một hợp chất cấu tạo từ hai nguyên tố hydro và oxy. Kết quả này khiến nhiều người kinh ngạc, bởi vì các nhà khoa học đương thời tin rằng nước là một trong những nguyên tố “không thể chia nhỏ”.

Kể từ năm 1791, Lavoisier phục vụ trong ủy ban của Viện Hàn lâm Khoa học Pháp, nơi đã phát triển hệ thống đo lường hệ mét. Các thành viên khác của ủy ban bao gồm các nhà toán học nổi tiếng Pierre-Simon Laplace và Adrien-Marie Legendre.

Theo Famous Scientists