Oxy được ba người cùng góp công tìm ra trong thập niên 1770: Carl Wilhelm Scheele (Thuỵ Điển) điều chế được nó sớm nhất, khoảng 1771–1772, nhưng công bố muộn; Joseph Priestley (Anh) điều chế độc lập ngày 1/8/1774 và công bố trước; Antoine Lavoisier (Pháp) là người hiểu đúng bản chất của nó, đặt tên "oxygène" và dùng nó để lật đổ thuyết nhiên tố. Vì vậy câu trả lời "ai tìm ra oxy" tuỳ vào việc ta coi trọng ai làm ra trước, ai in trước, hay ai hiểu đúng.
Trước oxy: không khí là "một nguyên tố"
Suốt hai nghìn năm, châu Âu theo quan niệm của Aristotle: không khí là một trong bốn nguyên tố cơ bản, cùng với đất, nước, lửa. Không khí không thể chia nhỏ hơn. Đến thế kỷ 17–18, các nhà hoá học bắt đầu thu được nhiều loại "khí" khác nhau từ phản ứng, nhưng vẫn coi chúng là không khí bị biến đổi hay bị nhiễm tạp chất.
Khung lý thuyết thống trị lúc đó là thuyết nhiên tố (phlogiston) do Georg Ernst Stahl phát triển đầu thế kỷ 18. Theo thuyết này, vật cháy được chứa một chất gọi là nhiên tố; khi cháy, nhiên tố thoát ra không khí. Ngọn nến trong bình kín tắt dần vì không khí đã "no" nhiên tố, không nhận thêm được. Thuyết này giải thích được khá nhiều hiện tượng, nhưng vướng một điểm: kim loại khi nung (bị gỉ, tạo "vôi kim loại") lại nặng lên chứ không nhẹ đi.
Bóc tách không khí: những loại khí đầu tiên
Trước khi có oxy, các nhà nghiên cứu đã tách được vài loại khí khác:
- Khí cố định (CO₂): Joseph Black ở Scotland mô tả khoảng năm 1754–1756, thu được khi nung đá vôi. Khí này làm tắt nến và làm đục nước vôi.
- Khí cháy được (hydro): Henry Cavendish mô tả năm 1766.
- Khí độc hại (nitơ): Daniel Rutherford, học trò của Black, mô tả năm 1772 — phần không khí còn lại sau khi chuột sống trong đó và CO₂ đã bị hấp thụ. Chuột cho vào phần khí này thì chết.
Năm 1771, Priestley làm một thí nghiệm sẽ trở thành nền móng cho hiểu biết về khí quyển: ông đặt một nhánh bạc hà vào bình kín mà nến đã cháy tắt. Vài ngày sau, nến cháy lại được trong bình đó. Cây xanh đã "phục hồi" không khí. Năm 1779, bác sĩ Hà Lan Jan Ingenhousz chỉ ra rằng cây chỉ làm được điều đó khi có ánh sáng — mầm mống đầu tiên của khái niệm quang hợp.
Scheele: người làm ra trước, in ra sau
Carl Wilhelm Scheele là một dược sĩ làm việc ở Uppsala và sau đó Köping, Thuỵ Điển. Khoảng năm 1771–1772, ông điều chế được một loại khí giúp lửa cháy mãnh liệt bằng nhiều cách: nung thuỷ ngân oxit, nung kali nitrat (diêm tiêu), nung mangan dioxit với axit sunfuric. Ông gọi nó là "khí lửa" (tiếng Thuỵ Điển eldsluft), và kết luận không khí gồm hai phần: "khí lửa" giúp cháy và "khí bẩn" không giúp cháy.
Bản thảo của Scheele, cuốn Khảo luận hoá học về không khí và lửa, gửi cho nhà in năm 1775 nhưng bị chậm, tới năm 1777 mới ra mắt. Đến lúc đó Priestley và Lavoisier đều đã công bố. Scheele còn được ghi nhận là người tìm ra clo, mangan, bari và nhiều axit hữu cơ; ông mất năm 1786, khi mới 43 tuổi.
Priestley: "khí đã tách nhiên tố" và ngày 1/8/1774
Joseph Priestley là mục sư, nhà thần học và nhà khoa học tự học người Anh. Ngày 1/8/1774, ông dùng một thấu kính lớn hội tụ ánh nắng nung thuỷ ngân oxit (khi đó gọi là "vôi thuỷ ngân") trong bình úp trên thuỷ ngân. Khí thoát ra làm ngọn nến cháy sáng rực, và chuột trong bình khí đó sống lâu hơn hẳn chuột trong không khí thường.
Vì tin vào thuyết nhiên tố, Priestley giải thích rằng loại khí này hút nhiên tố rất mạnh vì nó "chưa có chút nhiên tố nào", nên ông đặt tên là khí đã tách nhiên tố (dephlogisticated air). Ông tự hít thử và ghi lại cảm giác nhẹ nhõm, lâng lâng ở ngực. Kết quả được công bố năm 1775, trước Scheele hai năm.
Priestley là người làm thí nghiệm khéo, công bố nhiều. Ông cũng là người tạo ra nước có ga bằng cách hoà CO₂ vào nước. Năm 1791, nhà và phòng thí nghiệm của ông ở Birmingham bị đám đông đốt phá vì ông ủng hộ Cách mạng Pháp; năm 1794 ông sang Mỹ sống tới cuối đời.
Lavoisier: người hiểu ra và đặt tên
Tháng 10/1774, Priestley đi cùng một nhà quý tộc Anh sang Paris và kể cho Antoine Lavoisier về loại khí mới. Lavoisier lặp lại thí nghiệm, nhưng ông đặt câu hỏi khác: không phải "khí này thiếu cái gì", mà "khí này đi đâu khi vật cháy".
Lavoisier nổi tiếng vì cân. Ông nung thuỷ ngân trong bình kín có không khí trong 12 ngày, thấy thuỷ ngân tạo lớp vảy đỏ, thể tích không khí giảm khoảng một phần năm, phần khí còn lại không duy trì sự cháy và sự sống. Sau đó ông nung lớp vảy đỏ để giải phóng lại đúng lượng khí đã mất, và lượng khí này cho nến cháy sáng như Priestley mô tả. Kết luận của Lavoisier:
- Sự cháy và sự gỉ là kết hợp với một phần của không khí, không phải giải phóng nhiên tố. Vì vậy kim loại nung nặng lên.
- Không khí là hỗn hợp, chủ yếu gồm một phần "khí sống" và một phần không duy trì sự sống mà ông gọi là azote (tiếng Hy Lạp nghĩa là "không có sự sống"; tiếng Pháp ngày nay vẫn gọi nitơ là azote).
- Hô hấp của động vật giống một sự cháy chậm, tiêu thụ cùng loại khí ấy.
Ông đặt tên khí mới là oxygène, ghép từ tiếng Hy Lạp nghĩa là "sinh axit", vì tin rằng mọi axit đều chứa nguyên tố này. Niềm tin đó về sau tỏ ra sai (axit clohydric HCl không có oxy), nhưng cái tên thì ở lại. Cuốn Chuyên luận cơ bản về hoá học năm 1789 của Lavoisier hệ thống lại toàn bộ cách đặt tên và định luật bảo toàn khối lượng, thường được coi là khởi đầu của hoá học hiện đại. Lavoisier bị xử chém ngày 8/5/1794 trong thời kỳ khủng bố của Cách mạng Pháp, vì từng làm trong hệ thống thu thuế của triều đình.
So sánh ba người
| Scheele | Priestley | Lavoisier | |
|---|---|---|---|
| Quốc tịch | Thuỵ Điển (sinh ở Stralsund, khi đó thuộc Thuỵ Điển) | Anh | Pháp |
| Điều chế oxy | Khoảng 1771–1772 | 1/8/1774 | Sau tháng 10/1774, lặp lại và mở rộng |
| Công bố | 1777 | 1775 | Các báo cáo 1775–1777, sách 1789 |
| Tên gọi | Khí lửa | Khí đã tách nhiên tố | Oxygène |
| Cách hiểu | Thành phần giúp cháy của không khí, vẫn trong khung nhiên tố | Không khí "sạch nhiên tố" | Nguyên tố kết hợp khi cháy và thở |
Nhà sử học khoa học Thomas Kuhn dùng chính câu chuyện này trong cuốn Cấu trúc các cuộc cách mạng khoa học (1962) để cho thấy "phát hiện" không phải một khoảnh khắc mà là một quá trình: thấy một thứ mới và hiểu đó là cái gì là hai việc khác nhau.
Sau oxy: không khí còn những gì
Khi đã biết không khí là hỗn hợp, việc đo kỹ thành phần trở nên khả thi. Năm 1785, Cavendish cho tia lửa điện phóng qua không khí trộn thêm oxy để biến nitơ thành oxit rồi hấp thụ đi, và nhận thấy luôn còn sót một bọt khí nhỏ, chừng 1/120 thể tích ban đầu, không phản ứng. Hơn một trăm năm sau, năm 1894, Lord Rayleigh và William Ramsay giải được bí ẩn đó: nitơ lấy từ không khí nặng hơn nitơ điều chế từ hợp chất, vì lẫn một khí trơ mới — argon, chiếm khoảng 0,93% không khí. Cả hai được trao giải Nobel năm 1904 (Rayleigh giải Vật lý, Ramsay giải Hoá học).
Ngày nay ta biết không khí khô gồm khoảng 78,08% nitơ, 20,95% oxy, 0,93% argon, khoảng 0,04% CO₂ (chừng 420–425 ppm tính tới năm 2024), cộng với neon, heli, mê-tan và nhiều khí vết khác. Tiếng Việt gọi oxy là dưỡng khí và nitơ là đạm khí — hai cái tên phản ánh đúng cái nhìn của thế kỷ 18: một khí nuôi sự sống, một khí "trơ".
Góc nhìn hôm nay
Câu chuyện oxy nhắc ba điều. Thứ nhất, công bố sớm có giá trị: Scheele làm ra trước nhưng ít được nhắc vì sách in muộn. Thứ hai, thí nghiệm hay vẫn có thể bị đọc sai nếu khung lý thuyết sai: Priestley tới cuối đời vẫn bảo vệ thuyết nhiên tố. Thứ ba, cái cân và phép đo định lượng là thứ đã thay đổi hoá học.
Muốn đọc thêm, cuốn Cấu trúc các cuộc cách mạng khoa học của Kuhn có bản tiếng Việt. Vở kịch Oxygen (2001) của hai nhà hoá học Carl Djerassi và Roald Hoffmann đặt câu hỏi "ai xứng đáng được giải thưởng cho oxy" bằng một cuộc tranh luận hư cấu giữa ba nhân vật. Ở Uppsala và Köping (Thuỵ Điển) vẫn còn các địa điểm gắn với Scheele; bảo tàng Musée des Arts et Métiers ở Paris giữ một số dụng cụ của phòng thí nghiệm Lavoisier.
Câu hỏi thường gặp
Ai là người tìm ra oxy đầu tiên?
Carl Wilhelm Scheele điều chế được oxy sớm nhất, khoảng 1771–1772, nhưng sách của ông tới năm 1777 mới in. Joseph Priestley điều chế độc lập ngày 1/8/1774 và công bố năm 1775. Antoine Lavoisier là người giải thích đúng vai trò của oxy và đặt tên cho nó, nên cả ba thường được ghi nhận cùng nhau.
Vì sao gọi là oxygen?
Lavoisier ghép hai gốc tiếng Hy Lạp có nghĩa là "sinh ra axit", vì ông tin mọi axit đều chứa nguyên tố này. Về sau người ta biết có axit không chứa oxy, như axit clohydric, nhưng tên gọi vẫn được giữ.
Thuyết nhiên tố (phlogiston) là gì?
Đó là thuyết thế kỷ 18 cho rằng vật cháy được chứa một chất gọi là nhiên tố, thoát ra khi cháy. Thuyết này không giải thích được vì sao kim loại nung lại nặng lên. Lavoisier thay nó bằng cách giải thích sự cháy là kết hợp với oxy.
Ai tìm ra nitơ và argon trong không khí?
Nitơ được Daniel Rutherford mô tả năm 1772 (Scheele, Priestley và Cavendish cũng nghiên cứu cùng thời). Argon được Lord Rayleigh và William Ramsay phát hiện năm 1894, chiếm khoảng 0,93% không khí khô.
Thí nghiệm nhánh bạc hà của Priestley nói lên điều gì?
Năm 1771, Priestley thấy một nhánh bạc hà để trong bình kín đã làm không khí "hỏng" vì nến cháy trở lại dùng được. Đó là bằng chứng sớm rằng cây xanh tạo lại khí nuôi sự cháy và sự sống. Jan Ingenhousz sau đó chỉ ra cây cần ánh sáng để làm việc này.
