Một số điều lý thú của bảng tuần hoàn hóa học

Bảng tuần hoàn nguyên tố - những điều thú vị
11:13' 11/09/2008 (GMT+7)
- Những điều thú vị về các nguyên tố hóa học: Nguyên tố nào tồn tại trong quả đất,
trên vũ trụ hay chỉ trong phòng thí nghiệm? Số phận của nguyên tố mới nhất 108. Vinh
quang và bi kịch của những nhà săn tìm nguyên tố mới... Các phát kiến mới mẻ về các
nguyên tố hoá học ở các trung tâm nghiên cứu lớn trên thế giới giúp con người mở rộng
tầm nhìn, khám phá nhiều điều thú vị về thế giới tự nhiên.
PHẦN I: BỀN HAY KHÔNG BỀN - TỒN TẠI HAY KHÔNG TỒN TẠI
Trong nhà trường (giảng dạy, học tập và thi cử về môn hoá học), bảng tuần hoàn các nguyên tố
hoá học (THNT), dĩ nhiên, là một tài liệu cẩm nang. Trong một sõ lĩnh vực khoa học và đời sống,
như hoá học, vật lý, sinh học, công nghiệp, bảng THNT là một trong những công cụ tra cứu cần
thiết. Và, nói chung, các phát kiến mới mẻ về các nguyên tố hoá học ở các trung tâm nghiên cứu
lớn trên thế giới cũng giúp con người mở rộng tầm nhìn, khám phá nhiều điều thú vị về thế giới tự
nhiên.
Tuy vậy, trong cuộc sống bộn bề bao điều phải quan tâm, có nhiều tri thức thông thường tưởng là
ai cũng biết mà vẫn chưa biết, hoặc không đầy đủ và đôi lúc nhầm lẫn.
Ngay cả trong một buổi truyền hình trò chơi, cả thí sinh (hẳn là một học sinh giỏi muốn chinh phục
đỉnh Olympic trí tuệ), MC hoạt bát (và ở phía sau, hẳn là một vị cố vấn ra câu hỏi lẫn đáp án) đều
dễ dàng thống nhất nhau một câu trả lời mơ hồ về đặc tính rất tiêu biểu - bền hay không bền - của
một số nguyên tố trong bảng THNT.
Vì vậy, chúng tôi xin cung cấp đôi điều hiểu biết nhằm góp phần làm phong phú thêm kho tàng tri
thức của bạn đọc, bắt đầu từ một chi tiết trong trò chơi truyền hình trí tuệ đã nêu.
Tất cả nguyên tố nhẹ đều bền?
Để hiểu rõ một nguyên tố như thế nào là bền, trước hết xin cùng nhắc lại một vài khái niệm căn
bản về nguyên tố hoá học.
Một nguyên tố có thể có nhiều đồng vị (cùng một nguyên tử số Z, nhưng khác nhau về số khối
lượng A). Trong đó, có thể có đồng vị bền (hạt nhân của nó không tự biến đổi thành hạt nhân
khác), và đồng vị không bền (còn gọi là đồng vị phóng xạ: hạt nhân của nó có thể tự biến đổi thành
những hạt nhân khác). Từ đó dẫn đến các định nghĩa: Nguyên tố bền là nguyên tố có ít nhất một
Ngôi sao bùng nổ, nơi
tạo thành nguyên tố mới như

Californium. (Ảnh: Wikipedia)
đồng vị bền. Và ngược lại, nguyên tố không bền hay nguyên tố phóng xạ là nguyên tố mà tất cả
các đồng vị của nó đều là phóng xạ.
Không ít người nhầm rằng, cứ nguyên tố nào nhẹ hơn Uranium (Z=92) cũng bền. Thực ra, trong
các nguyên tố đứng trước nguyên tố Uranium trong bảng THNT được đưa ra trong câu đố của trò
chơi truyền hình dẫn ra ở trên, có những 11 nguyên tố không bền hay nguyên tố phóng xạ, đó là:
Technetium (ký hiệu Tc,Z=43), Promethium (Pm,61), Bismuth (Bi,83), Polonium (Po,84), Astatine
(At,85), Radon (Rn,86), Francium (Fr,87), Radium (Ra,88), Actinium (Ac,89), Thorium (Th,90) và
Protactinium( Pa,91). Độ phổ biến và sự xuất hiện trong tự nhiên của các hạt nhân không bền nói
trên cũng rất khác nhau.
Chẳng hạn, trường hợp nguyên tố Technetium (Tc) và nguyên tố Promethium (Pm). Cả hai nguyên
tố, đầu tiên, được tạo ra bằng phương pháp nhân tạo trong phòng thí nghiệm. Tc hình thành trong
một lá kim loại Molybden và được phát hiện tại phòng thí nghiệm của trường Đại học Palermo
(Sicile, nước Ý) sau khi cho chiếu trên chùm hạt gia tốc của máy gia tốc Cyclotron ở phòng thí
nghiệm Lawrence (Mỹ). Còn Pm, cũng tạo được trong lò phản ứng hạt nhân ở Phòng thí nghiệm
quốc gia Oak Ridge (Hoa Kỳ). Nó là sản phẩm phân hạch của Uranium trong thanh nhiên liệu đã
“cháy”của lò phản ứng.
Còn sự xuất hiện của Tc trong tự nhiên được phát hiện bởi các
nhà thiên văn, họ ghi nhận dấu vết của Tc qua vạch quang phổ
đặc trưng của tia sáng đến từ những ngôi sao đỏ khổng lồ S, M
và N trong vũ trụ xa xôi. Sau đó, nguyên tố này mới tìm thấy
trên quả đất. Người ta thu được một lượng vô cùng bé nhỏ
0,2nanogam/kilog, tương ứng hàm lượng 2×10−11 % đồng vị
Tc-99 trong một mẫu quặng đặc biệt nhặt từ mỏ uran ở Công
gô (Phi châu); đồng vị này được xem là sản phẩm phân hạch
tự phát của hạt nhân Uranium.
Quá trình phát hiện Pm trong tự nhiên ngược lại với Tc. Pm đã được tìm thấy, trước hết, trong một
mẫu quặng, nhưng hàm lượng được xác định vô cùng bé, chỉ với hàm lượng khoảng 4×10−16 %.
Từ đây, người ta còn ước tính rằng, trên vỏ quả đất chỉ tồn tại khoảng 560 gam Promethium được
tích lũy từ phản ứng phân hạch tự phát U-238, và 12 gam từ phân rã Eu-151. Sau đó, Pr lại được

tìm thấy trong vũ trụ qua dấu vết vạch phổ nguyên tử đặc trưng của nó trong phổ ánh sáng phát ra
từ một vài vì sao có tên như HR 465, HD 101065 và HD 965.
“Tuổi đời” của 11 nguyên tố không bền cũng rất khác nhau, nhưng trong tất cả các nguyên tố kể
trên, không có đồng vị nào là “sống” vĩnh cửu, mặc dù có vài nguyên tố sống rất “thọ”. “Thọ” nhất là
nguyên tố Bismuth, nằm ở ô 83 của bảng THNT: đồng vị Bi-209 của nó có chu kì bán rã những 19
Tỉ x Tỉ năm với sai số chỉ 10%!
Rõ ràng, với câu hỏi đặt ra ở trên, câu trả lời là phủ định. Cụ thể, có tất cả 11 nguyên tố không bền
đứng trước Uranium, trong đó nguyên tố Bismuth là bền nhất. Như vậy, số nguyên tố bền đứng
Trụ sở Ban Giám đốc Trung
tâm khoa học quốc tế Đúp-na
(Việt Nam là quốc gia thành
viên. Nhiều thế hệ khoa học gia
VN làm việc ở đây). Ảnh tư liệu
của JINT
trước Uranium chỉ dừng lại ở con số 80.
Tất cả các nguyên tố siêu nặng đều không bền?
Ở đây, câu trả lời sẽ là khẳng định.
Các nguyên tố đứng sau nguyên tố Uranium (92) có tên gọi chung là siêu uran hay siêu nặng. Cho
đến nay, chưa tìm thấy một nguyên tố bền nào khác trong số các nguyên tố siêu uran hay siêu
nặng đã biết, từ nguyên tố 93 (Neptuni) cho đến 118 (chưa đặt tên).
Cũng cần nói thêm rằng, cả hai nguyên tố nhẹ hơn, Uranium và Thorium - những nguyên liệu chủ
yếu của lò phản ứng hạt nhân, tưởng là bền mà cũng không bền. Quả vậy, một đồng vị của
Uranium là U-238 có chu kỳ bán rã lớn nhất, 4,51 tỉ năm, suýt soát tuổi của trái đất. Tuy vậy, tuổi
thọ đó cũng chưa bằng nguyên tố Bismuth và cũng chưa bằng Thorium; vì một đồng vị của
Thorium, Th-232, có chu kỳ bán rã những 14,05 tỉ năm, lớn hơn U-238 và tuổi quả đất đến 3 lần.
Trở lại với các nguyên tố siêu nặng hay siêu uran. Cho đến nay, các số liệu thực nghiệm thu được
đều chứng tỏ: các nguyên tố siêu uran đã tìm thấy, chẳng những không bền, mà thời gian sống của
chúng bé hơn Uranium quá nhiều. Chẳng hạn, từ nguyên tố 108 đến 112, thời gian sống giảm theo
quy luật “nguyên tử số càng tăng, thời gian sống của chúng càng giảm“, cụ thể từ 10 giây xuống
còn một phần vạn giây. Nhưng điều thú vị là đến nguyên tố 114, 116 và 118 quy luật nói trên xem

như không còn duy trì : thời gian sống lại tăng lên 29 giây với nguyên tố 112 ; 2,6 giây với 114; 20-
30 giây với 116 ... Những số liệu về thời gian sống, tuy còn thấp, cũng làm lóe lên tia hy vọng về
một “đảo bền“.
Một hòn “đảo bền” cuối bảng THNT đã được lý thuyết hạt nhân tiên đoán, chờ đợi trong nhiều thập
kỷ nay. Họ tính đến cấu trúc phức tạp của chất hạt nhân, xem các hạt prôtôn và nơtrôn sắp xếp
theo từng lớp, trên giả thuyết đó, các tính toán lý thuyết đã đi đến một kết luận quan trọng: có khả
năng tồn tại một “đảo bền” (gồm các nguyên tố bền hoặc sống khá lâu) giữa đại dương những
nguyên tố rất không bền.
“Đảo bền” còn đâu đó xa xăm, vì đến bây giờ vẫn không có nguyên tố siêu uran nào bền, thậm chí
thời gian sống của các nguyên tố này chỉ có thể tính giây, bằng phút hoặc bé hơn.
Vậy con số 80 vẫn là tổng số các nguyên tố bền đã tìm thấy, không chỉ cho vùng các hạt nhân
trước nguyên tố Uranium mà cho toàn bảng THNT. Điều đó cũng có nghĩa là trong 117 nguyên tố
đã được phát hiện, tổng số nguyên tố không bền vẫn là con số: 117 - 80 = 37.
Bao nhiêu nguyên tố tồn tại trong tự nhiên? Như đã nói ở trên, chỉ có 117 ô trong bảng THNT đã có
“chủ nhân”. Cụ thể, 117 nguyên tố trải dài từ ô thứ 1 đến ô thứ 118 đã được tìm thấy. Ở đây, ô thứ
117 còn để trống vì chưa tìm ra. Trong số đó, có 94 nguyên tố vừa chế tạo được bằng phương
pháp nhân tạo, vừa được tìm thấy trong thế giới tự nhiên; dựa trên những chứng tích khác nhau.
Nhẹ nhất là Hydro (H,1) và nặng nhất là Plutonium (Pu,94).
Trong 94 nguyên tố nói trên, có 80 nguyên tố bền. Và tất cả 80 đều đã tồn tại trên hành tinh chúng
ta từ khi nó mới hình thành. 14 nguyên tố không bền còn lại (gồm 11 nguyên tố đứng trước U, bản
thân U và 2 nguyên tố siêu uran Np và Pu) có kiểu tồn tại trong tự nhiên những cách khác nhau.
Trừ Bismuth, các nguyên tố còn lại có chu kỳ phân rã bé hơn nhiều so với tuổi quả đất, Tc và Pm là
những ví dụ, chỉ xuất hiện trên hành tinh chúng ta như là sản phẩm của phản ứng phân hạch tự
phát hoặc bởi sự phân rã phóng xạ trong các dãy phóng xạ tự nhiên, chứ không phải là những
thành phần vật chất còn lưu giữ từ thưở hồng hoang khi trái đất hình thành.
Trên đây đã nói về tình trạng của các nguyên tố đứng trong 94 ô đầu tiên của bảng THNT. Vậy
phía sau ô 94, trong số các nguyên tố có tên gọi là siêu uran hay siêu nặng, có nguyên tố nào tồn
tại trong tự nhiên hay không? Câu trả lời thú vị là: Có.
Đó là một trường hợp đặc biệt - nguyên tố Californium (Cf,98). Với phương pháp nhân tạo, các nhà
nghiên cứu ở Berkeley đã bắn một chùm hạt anpha (ion của nguyên tử Helium) có động năng gia

tốc đến 35 MeV vào bia Curium (Cm-242), kết quả là một đồng vị của Californium là Cf-245 (chu kỳ
bán rã 44 phút) đã được tạo thành. Còn trong tự nhiên? Nguyên tố Cf không tìm thấy trên mặt đất,
nhưng đã có dấu vết trong vũ trụ, trong một vì sao đang cháy qua vạch phổ đặc trưng ghi được của
đài thiên văn. Đây là nguyên tố duy nhất cho tới bây giờ, trong số các nguyên tố siêu nặng hay siêu
uran nằm sau ô 94 trong bảng THNT, được xem như có mặt trong tự nhiên.
Nguyên tố Californium đã nâng tổng số các nguyên tố hóa học có thể “nhìn thấy” trên trái đất với
hàm lượng khác nhau, hoặc có chứng tích tồn tại trong vũ trụ, lên đến con số 94 +1 = 95.
Tất cả các nguyên tố siêu uran còn lại, từ Americium (Am,95) đến 118 chỉ được tìm thấy bởi
phương pháp nhân tạo, chủ yếu bằng cách tổng hợp trên máy gia tốc. Quá trình tổng hợp như sau:
Bắn một chùm hạt “đạn” như proton, anpha hay các ion nặng hơn vào lá bia gồm các nguyên tử
của một nguyên tố nặng khác, một phản ứng hạt nhân tổng hợp xảy ra. Khi đó, một hạt nhân bia và
một hạt đạn kết hợp lại thành một hạt nhân mới, kèm theo quá trình phát các hạt như notron,
proton, beta, gamma v.v… Với phản ứng tổng hợp, các hạt nhân siêu nặng hay siêu uran mới
được tạo thành, vì vậy các nguyên tố siêu uran này còn được gọi là các nguyên tố tổng hợp.
Tóm lại, tổng số nguyên tố tồn tại trong tự nhiên vẫn không vượt qua con số 95.
PHẦN II: TÌM KIẾM NGUYÊN TỐ MỚI - VINH QUANG VÀ CAY ĐẮNG
Nguyên tố 106: Ngoại lệ lịch sử
Chi phí để chế tạo ra các nguyên tố siêu nặng, siêu uran trong phòng thí nghiệm rất cao, đòi hỏi
thiết bị và công nghệ rất tinh vi, hiện đại và dĩ nhiên là đắt tiền, từ các tấm bia siêu tinh khiết, máy
phân tách hạt nhân theo khối lượng; điện tích, đặc biệt là các cỗ máy gia tốc hiện đại nhất cho
chùm hạt cường độ lớn, năng lượng cao và chính xác v.v…Vì vậy, mỗi nguyên tố mới được tìm
thấy thường trải qua những đoạn đường đầy chông gai, có giá thành không nhỏ. Nhưng ý nghĩa
khoa học cũng rất to lớn. Và các tác giả phát minh cũng nhận được sự tôn vinh xứng đáng.
Trái: TS. Viktor Ninov (trái), "tác giả" vụ tai tiếng nguyên
tố 118. Phải: G. Seaborg - tác giả 12 nguyên tố mới, được
giải Nobel, người duy nhất được đặt tên cho nguyên tố mới
- 106, khi còn sống. (Ảnh: www.lbl.gov)
Có những trường hợp sự tôn vinh vượt ra ngoài thông lệ bình thường, đó là trường hợp của
nguyên tố 106. Nguyên tố 106 được phát minh từ năm 1974, nhưng cuộc tranh cãi bản quyền kéo
dài đến 20 năm giữa hai trung tâm khoa học hàng đầu thế giới, giữa Phòng thí nghiệm quốc gia

Berkley (Mỹ) và Viện Liên hiệp Nghiên cứu Hạt nhân (VLHNCHN, ở Dupna, Nga), giữa nhóm
nghiên cứu Gleen Seaborg và nhóm Flerov - Oganhisian. Đến năm 1993 cuộc tranh cãi mới ngã
ngũ với phần thắng nghiêng về nhóm Berkley.
Nhưng việc đặt tên không vì thế mà dễ dàng. Tám thành viên trong nhóm nghiên cứu Berkley
không thống nhất nhau, họ đề xuất một bảng danh sách dài, từ những danh nhân khoa học và văn
hoá - Newton, Edison, Leonardo da Vinci, Ferdinad Magellan, đến tổng thống đầu tiên của Hoa kỳ
George Washington, tên nước như Finland (tổ quốc của một thành viên trong nhóm), thậm chí cả
tên nhân vật thần thoại như Ulysses.
Cuối cùng tên người lãnh đạo nổi tiếng của họ - nhà khoa học nổi tiếng, Seaborg, tác giả của 10
nguyên tố mới được thống nhất lựa chọn. Hội Hoá học Mỹ (ACS) chấp nhận ngay, nhưng Hiệp hội
Hoá Tinh khiết và Ứng dụng Quốc tế (IUPAC) lại đưa ra một nguyên tắc mới - không được đặt tên
nguyên tố cho một người đang sống. IUPAC đề xuất tên khác là Rutherforium (Rf). ACS cực lực
phản đối và đe doạ tẩy chay IUPAC. Cuối cùng, năm 1997, tại Geneve, cuộc họp của hội đồng
IUPAC đã nhượng bộ và chấp nhận tên của nguyên tố 106 là Seaborgium.
Trong lịch sử, chỉ có 10 tên người được mang tên nguyên tố là: Curies (Cm-96), Einstein (Es-90),
Fermi (Fm-100), Mendeleev (Md-101), Nobelium (No-102), Lawrence (Lw-103), Rutherford (Rf-
104), Seaborg (Sg-106), Bohr (Bh-107), Meitner (Mt-107). Nhưng, đặc biệt, chỉ mỗi Glenn
Theodore Seaborg là một ngoại lệ lịch sử, người đầu tiên trên thế giới còn sống được mang tên
một nguyên tố hoá học.
Nguyên tố 118: số phận long đong
Trái với vinh quang của nguyên tố 106, con đường tìm kiếm nguyên tố 118 cũng quá chông gai và
số phận những người săn tìm 118 cũng là bi kịch.
Ngôi sao bùng nổ, nơi tạo thành
các nguyên tố mới như
Californium. (Ảnh: Wikipedia)