Humphry Davy: khi điện hóa học bước lên sân khấu London
Một mẩu kali chạm mặt nước, chạy trên bề mặt rồi bùng lên với ngọn lửa tím nhạt. Trong bài giảng tại Royal Society năm 1807, thí nghiệm ấy giúp Humphry Davy tạo nên cảnh tượng mà khán giả London khó quên. Tuy nhiên, giá trị lâu dài không nằm ở màu lửa, mà ở câu hỏi phía sau: điện có thể tách những thành phần vốn bị giữ chặt trong hợp chất hay không? [1]
Davy biến hóa học thành một sự kiện xã hội vì ông kết hợp được ba yếu tố: hiện tượng dễ quan sát, thiết bị điện tương đối mới và những câu hỏi thực nghiệm quan trọng. Các màn trình diễn thu hút đám đông, còn cách ông xử lý trở ngại trong phòng thí nghiệm góp phần mở rộng điện hóa học và khả năng cô lập nguyên tố. [1]
Điều gì khiến khán giả bị cuốn hút?
Đến năm 1808, bài giảng khoa học công cộng đã là một hình thức giải trí phổ biến trong tầng lớp trung lưu và giới thượng lưu London. Người xem đến để chứng kiến tia lửa, tiếng nổ, mùi lạ, khí thoát ra và vật chất đổi trạng thái. Davy đặc biệt thành công trong môi trường này nhờ lối trình bày sinh động và khả năng đặt một hiện tượng bất ngờ vào trung tâm buổi giảng. [1]
Trong bài giảng tháng 6 năm 1808, Davy đưa một bộ pin volta lớn của Royal Institution vào khán phòng Royal Society để trình diễn điện hóa học. Khi thiết bị hoạt động, kim loại hình thành ở một điện cực và oxy thoát ra ở điện cực kia. Khán giả có thể nhìn thấy một hợp chất bị biến đổi ngay trước mắt, thay vì chỉ nghe mô tả về phản ứng trong sách. [1]
Sức hút còn gắn với vị thế khác thường của Davy. Ông trưởng thành với nền giáo dục không chính quy, từng học việc tại một hiệu thuốc và tự tìm hiểu hóa học. Sau khi đến London năm 1801, phong thái tỉnh lẻ và những màn trình diễn giàu tính sân khấu khiến một bộ phận giới tinh hoa dè dặt, nhưng lại làm ông trở nên đáng chú ý với công chúng. [1]
Pin volta đã mở ra khả năng nào?
Cơ sở kỹ thuật cho các thí nghiệm của Davy là pin volta, được Alessandro Volta mô tả năm 1800. Thiết bị gồm những lớp kim loại xen kẽ vật liệu ẩm, tạo ra dòng điện yếu nhưng liên tục. So với tia lửa chỉ lóe lên trong chốc lát, dòng điện liên tục cho phép nhà hóa học duy trì và theo dõi biến đổi trong một bình thí nghiệm. [1]
Davy sớm chế tạo, nghiên cứu các bộ pin và dùng chúng để phân tách hợp chất. Trong bố trí cơ bản, pin được nối với hai điện cực đặt trong vật liệu cần phân hủy. Dòng điện thúc đẩy các thành phần đi theo những quá trình khác nhau: kim loại có thể xuất hiện ở một điện cực, còn oxy được giải phóng ở phía kia. Vật chất không sinh ra từ khoảng không; nó vốn là thành phần của hợp chất. [1]
Ý nghĩa của phương pháp nằm ở khả năng tiếp cận những nguyên tố khó thu được bằng các cách quen thuộc lúc đó. Thay vì chỉ quan sát đặc tính của khoáng chất, Davy dùng điện như một công cụ can thiệp vào liên kết hóa học, qua đó tìm cách đưa thành phần ẩn bên trong về dạng có thể nhận diện. [1]
Vì sao nước trở thành trở ngại?
Những thử nghiệm đầu tiên không diễn ra thuận lợi. Khi Davy hòa tan hợp chất trong nước rồi cho dòng điện chạy qua, nước bị phân tách thành hydro và oxy, trong khi hợp chất cần nghiên cứu vẫn còn nguyên. Dòng điện đã tác động lên môi trường chứa mẫu thay vì tạo ra kết quả mà ông tìm kiếm. [1]
Davy đổi điều kiện thí nghiệm bằng cách làm nóng chảy các khoáng chất, tạo hợp kim với thủy ngân rồi truyền dòng điện qua. Vật liệu nóng chảy sủi bọt; những cụm kim loại nhỏ màu bạc xuất hiện ở một điện cực, còn oxy thoát ra ở điện cực kia. Điện cực được chọn để gần như không tham gia phản ứng với vật liệu xung quanh. [1]
Có thể hình dung trở ngại này như việc cố lấy một thành phần khỏi hỗn hợp nhưng công cụ lại tác động lên chất bao quanh nó trước. Tăng cường tác động chưa chắc hữu ích; cần đổi môi trường hoặc trạng thái của mẫu. Với Davy, thất bại ban đầu vì thế trở thành chỉ dẫn để thiết kế lại thí nghiệm. [1]
Các phát hiện năm 1808 đến từ đâu?
Năm 1807, Davy dùng điện hóa học để cô lập potassium từ potash ăn da, nay được xác định là potassium hydroxide, và sodium từ soda ăn da, tức sodium hydroxide. Sang năm 1808, ông công bố việc cô lập barium, calcium, strontium, magnesium và boron. Các kết quả này nối tiếp trực tiếp quá trình dùng pin volta để phân hủy khoáng chất và hợp chất. [1]
Davy thông báo những phát hiện của năm 1808 qua hai bài giảng, vào tháng 6 và tháng 12. Với barium, calcium, strontium và magnesium, tên gọi cùng thành phần chính xác của một số vật liệu lịch sử không phải lúc nào cũng tương ứng hoàn toàn với cách phân loại hiện đại. Dù vậy, các thí nghiệm cho thấy điện hóa học có thể đưa những nguyên tố khó tiếp cận về dạng kim loại để nghiên cứu. [1]
Boron nhắc rằng khám phá khoa học không nhất thiết chỉ diễn ra theo một tuyến duy nhất. Cũng trong năm 1808, Joseph Louis Gay-Lussac và Louis Jacques Thénard tại Pháp độc lập cô lập nguyên tố này. Vì thế, đóng góp nổi bật của Davy không phải quyền sở hữu một phát hiện đơn độc, mà là cả chuỗi thực nghiệm điện hóa học và cách ông đưa kết quả đến đông đảo công chúng. [1]
Sân khấu đã giúp hay làm lệch khoa học?
Sau năm 1808, các bài giảng của Davy ngày càng đông người nghe, còn ông được biết đến vừa như nhà hóa học vừa như người trình diễn. Danh tiếng ấy cũng kéo theo tin đồn và chỉ trích về xuất thân, quan hệ chính trị thời trẻ cùng mong muốn tiến vào giới thượng lưu. Bài giảng công chúng vừa giúp khoa học lan rộng, vừa đặt nhà khoa học trước sự phán xét xã hội. [1]
Bản thân Davy từng trả giá cho việc kết luận vượt quá bằng chứng. Một số lý thuyết thời trẻ của ông bị phê phán gay gắt vì suy diễn quá xa từ thí nghiệm. Ông sau đó điều chỉnh phương pháp, và công trình năm 1800 về thành phần các khí được đón nhận tốt hơn. Trình diễn có thể thu hút sự chú ý, nhưng uy tín khoa học vẫn phụ thuộc vào thiết kế thí nghiệm và mức độ phù hợp giữa kết quả với kết luận. [1]
Đóng góp của Davy vì thế vượt ra ngoài những ngọn lửa và tiếng nổ từng làm khán phòng sôi động. Các thí nghiệm phân hủy hợp chất bằng điện trở thành một dấu mốc trong lịch sử điện hóa học và có ảnh hưởng đến công việc sau này của Michael Faraday. Trên sân khấu của Davy, khán giả không chỉ xem một cảnh tượng: họ chứng kiến dòng điện trở thành công cụ để khảo sát cấu tạo vật chất. [1]