Chìa khóa để tìm ra các nguyên tố hóa học trong thiên nhiên là những phương pháp phân tích.

       Phương pháp phân tích hóa học định lượng chỉ bắt đầu có và được áp dụng vào giữa thế kỉ 17 và cũng bắt đầu từ đấy, khái niệm NTHH ngày càng được hiểu chính xác hơn.

      Như vậy, bằng cách nào thời tiền sử có thể tìm ra được một số NTHH?  Câu hỏi đặt ra rằng: có phải những NTHH đó đã sẵn có ở trạng thái tự do? Gần đúng như thế.

      Những nguyên tố được lịch sử ghi nhận có từ thời xa xưa là 7 kim loại: vàng, bạc, đồng, sắt, thiếc, chì, thủy ngân và 2 nguyên tố phi kim là lưu huynh, cacbon.

      Những từ tiền sử, cổ đại, xa xưa...khôg có ý nghĩa chính xác về niên đại lịch sử mà chỉ muốn nói về khoảng thời gian rất xa trước công nguyên.

      Trong số 109 NTHH thực ra chỉ có 89 NT có trong thiên nhiên. Khi bắt tay tìm hiểu các NTHH, chúng ta thấy, đại đa số đều có năm sinh, có tên họ người tìm ra, chỉ riêng một số nguyên tố không có hai điều đó. Đặc biệt đối với những nguyên tố này thì mỗi nước trên thế giới lại gọi chúng theo ngôn ngữ dân gian của tiếng nước mình.

      Những nguyên tố tìm ra thời cổ đại hay thời trung quốc hoàn toàn là ngẫu nhiên. Nhưng một số có ứng dụng rất quan trọng cho sự phát triển của xã hội loài người.

Cabon (C)

      Có thể nói loài người biết đến cacbon rất sớm. Những đám than hồng còn lại sau những trận thiên tai cháy rừng là những dẫn chứng về sự tìm thấy  cacbon đầu tiên. Chắc chắn khi con người biết cách tìm ra lửa và giữ lửa thì cacbon luôn luôn là người bạn đồng minh của con người.

      Kim cương và than chì cũng được biết đến từ thời xưa . Màu sắc đẹp đẽ và độ cứng vô song của kim cương là đề tài cho bao chuyện thần thiên lưu truyền từ xưa đến nay. Kim cương và than chì đều có ở dạng tự nhiên trong vỏ trái đất. Lịch sử ghi nhận rằng chỉ đến nửa sau thế kỉ 16 than chì mới được dung làm lõi bút chì. Nước ta gọi là than chì, nhiều nước gọi là grafit, bởi vì “grafo” theo tiếng Hi Lạp có nghĩa là “viết”.

      Dưới tác dụng của nhiệt, than đá có thể biến thành than chì.

Ngày nay nhiều học sinh đã biết nói đến tính cứng thì ví như kim cương, mềm thì ví như than chì, những chúng đều cùng một chất cacbon mà ra.

       Nhưnh xin hỏi: làm thế nào mà biết được điều ấy? Đầu tiên là năm 1964, một số người muốn nấu chảy những viê kim cương bé để thu được viên kim cương lớn hơn bằng cách dùng kính lúp để hội tụ tia sang mặt trời lên kim cương. Kết quả: kim cương cháy và biến mất!

       Mãi đến năm 1772, nhà hóa học Pháp Lavoadiê (Lavoisier) mới chứng minh được rằng khi đốt kim cương thì tạo thành khí cacbonic,cũng giống như khi đốt cháy than củi vậy.

       Đến năm 1778, nhà hóa học Thủy Điển Sile (C.Scheele) cũng nhận thấy rằng khi nung nóng mạnh , than cháy và cho khí cacbonic.

       Cùng một nguyên tố nhưng tồn tại ở một số dạng đơn chất khác nhau, hóa học gọi đó là hiện tượng thù hình. Ngoài kim cương và than chì, cacbon còn có một dạng thù hình nữa gọi là cacbin cò màu đen.

      Kim cương được khai thác nhiều nhất ở Nam Phi. Có thể có em học sinh mơ ước rằng giá mình được đi đãi kim cương? – Xin đừng! Ở Nam Phi, công nhân được tuyển là những người da đen và họ đã phải chịu những kỉ luật nghiêm ngặt: phải sống tập trung, mỗi lần đi làm phải ở truồng như nhộng. Mỗi khi nhớ nhà muốn về thăm quê phải bị nhốt một thời gian và bắt uống thuốc tẩy xem có nuốt kim cương vào dạ dày không.

      Nói đến giá trị của kim cương thì em học sinh nào cũng biết, nhưng trả lời thật đúng giá trị thì có lẽ chỉ được 50%! Kim cương với vẻ đẹp tuyệt vời khi có ánh sáng chiếu qua, đã được dùng làm đồ trang sức quý tộc từ mấy nghìn năm nay. Đó là giá trị biểu hiện sự gìau sang phú quý. Nhưng cái giá trị độc tôn trong công nghiệp của kim cương chính là độ cứng vô song của nó.

      Kim cương quý như vậy, tại sao các nhà hóa học không có ý nghĩ điều chế kim cương nhân tạo?

     Ý nghĩ đó đã có từ hai thế kỉ trước. Đãi đất đá để tìm ra cho được kim cương cũng vất vả lắm. Muốn thu được 1g kim cương từ mỏ kim cương phải vật lộn với trung bình với 20 tấn đất đá. Hai thế kỉ trước đây chưa giải quyết được vấn đề điều chế kim cương nhân tạo từ than chì vì chưa tạo ra được áp suất lớn. Phải chờ đến năm 1955, với sự đóng góp của các nhà khoa học  Anh, vấn đề điều chế kim cương nhân tạo mới thành công.

       Cần phải có nhiệt độ nung khoảng 3000 C dưới áp suất lớn hơn 50.00 atm với sự có mặt của một số chất xúc tác kim loại. Thế mà viên kim cương nhân tạo nặng không quá 0,2g, màu sắc lại quá rực rỡ vì ảnh hưởng của tạp chất.

     Viên kim cương thiên nhiên lớn nhất hiện nay có khối lượng 621,2g

      Về cacbon có 2 câu chuyện khá lí thú sau đây:

1. Vì sao lại chọn đồng vị ¹²C thay cho oxi trong thang khối lượng nguyên tử của NTHH?

     Đầu tiên, năm 1803, vì hiđrô là nguyên tố nhẹ nhất nên được chọn làm đơn vị khối lượng nguyên tử. Nhưng vì đa số các NTHH đều dễ dàng tạo thành hợp chất với oxi dưới dạng oxit, vì vậy trong thực tế tính toán khối lượng nguyên tử của oxi. Từ đó 1/16  khối lượng của nguyên tử oxi được thừa nhận làm đơn vị đo khối lượng nguyên tử và gọi là đơn vị oxi.

Với sự tiến bộ của khoa học, một mâu thuẫn mới xuất hiện. Đầu thế kỉ 20, người ta xác định được rằng oxi thiên nhiên là hỗn hợp của các đồng vị. Các nhà hóa học vẫn coi đơn vị oxi là 1/16 của oxi thiên nhiên ( nghĩa là bao gồm tất cả các đồng vị của oxi). Nhưng đối với vật lí nguyên tử, đơn vị như vậy không chính xác và các nhà vật lí thừa nhận đơn vị oxi là bằng 1/16 của đồng vị ¹⁶O.

       Đã gọi là đơn vị đo lường NTHH mà lại có hai thang – thang vật lí và thang hóa học! Để giải quyết mâu thuẫn đó, một hội nghị quốc tế năm 1961 đã chuyển sang  chọn cacbon. Ưu điểm là ở chỗ: cacbon trong thiên nhiên chỉ có 2 đồng vị bền là ¹²C  và ¹³C và số đồng vị ¹²C chiếm đến 98,892% tổng số nguyên tử cacbon.

       VÌ vậy, bắt đầu từ năm 1961 trở đi các nhà bác học thống nhất chọn đơn vị khối lượng nguyên tử bằng 1/12 của nguyên tử đồng vị ¹²C.

Theo thang mới này: O = 15,9994 và H = 1,0079, do đó H_2­O = 1,0079*2 + 15,9994 = 18,0152 còn C = 12,011.

      Trong tính toán định lượng các công thức hóa học, không đòi hỏi độ chính xác cao, chúng ta chỉ chú ý đến 2 con số lẻ sau dấu phẩy để lấy số tròn, chẳng hạn O = 15,9994 được lấy tròn là O = 16, H = 1.. Do đó, thang cũ hay thang mới không ảnh hưởng đối với chúng ta.

      2. Dùng đồng vị ¹⁴C để xác định niên đại của di vật khảo cổ có nguồn gốc thực vật (chẳng hạn muốn xác định niên đại của áo quan trong ngôi mộ cổ).

        Tia vũ trụ rất nguy hiểm vì nó phát ra hạt nơtron. Chính nhờ có lớp khí ozon (O₃) ở tầng cao khí quyển chặn lại mà tia vũ trụ không xuống được đến mặt đất.

       Hạt nơtron của tia vũ trụ khi tác dụng với nguyên tử nitơ có đồng vị ¹⁴N  thì tạo thành ¹⁴C. Đồng vị ¹⁴C không bền, bị phân hủy tự nhiên với chu kì  bán hủy T = 5570 năm (có nghĩa là sau 5570 năm, lượng ¹⁴C chỉ còn có một nửa so với lúc ban đầu).

       Nhờ hiện tượng quang hợp mà cây cối hấp thụ khí CO₂ có trong khí quyển để sinh trưởng. Trong khí CO₂ có một phần rất bé là ¹⁴CO₂ (để dễ hiểu, cứ một triệu phân tử CO₂ chứa nguyên tử cacbon bền bình thường thì có một phân tử CO₂ có chứa đồng vị không bền ¹⁴C).

      Vì phản ứng tạo thành ¹⁴C trong khí quyển là liên tục, cho nên khi cây cối còn sống, hàm lượng của ¹⁴C trong đó coi như không đổi (lượng mất đi được bù lại bằng lượng hấp thụ vào). Khi cây cối đã chết, không còn hiện tượng quang hợp nữa, lượng ¹⁴C giảm theo một quy luật với chu kì T nói trên.

        Nếu bây giờ lấy một mảnh gỗ cùng kích thước, cùng loại gỗ, những còn mới nguyên, đem so sánh với mảnh gỗ của áo quan thì biết được ngay số lượng ¹⁴C trong mảnh gỗ áo quan của ngôi mộ cũ còn lại là bao nhiêu. Gỉai bài toán (phương trình vi phân đơn giản), chúng ta tìm ngay được niên đại của ngôi mộ.

        Đến đây, chúng tôi kết thúc nguyên tố cacbon với một nhận xét mà ai cũng biết rằng không có một vật thể sống nào trên trái đất này mà lại không chứa cacbon. Cho nên gọi hóa học hữa cơ hay hóa học của nguyên tố cacbon cũng đều đúng cả.

Lưu huỳnh (S)

      Là nguyên tố phi kim thứ hai được biết từ thời xa xưa. Trong thiên nhiên, nhiều nơi đã có những mỏ lưu huỳnh. Đó cũng lí do để con người sớm biết lưu huỳnh.

      Lưu huỳnh tự sinh đươc thấy ở những nơi gần các núi lửa hoạt động. Các khí thoát ra từ miệng núi lửa thường là những hợp chất lưu huỳnh , nên có giả thiết cho rằng lưu huỳnh tự sinh là kết quả của phản ứng các chất khí đó.

  2H₂S + SO₂ → 3S + 2H₂O

      Ngoài ra, sự hoạt động lâu bền của các vi sinh vật trong đất cũng là nguyên nhân tạo thành lưu huỳnh tự sinh. Những mỏ lưu huỳnh này thường ở núi lửa và không có chứa tạp chất selen. Lí do đáng tin cậy ở chỗ, trong quá trình hoạt động để chuyển các hợp chất sunfua thành lưu huỳnh, các vi sinh vật đã tránh không đụng đến selen, một chất độc đối với chúng.

      Vào thời Hoome (khoảng thế kỉ 12 – 9 TCN) những người cổ Hi Lạp đã biết nói để tẩy trắng vải sợi. Người xưa tin rằng, cái mùi và màu xanh của ngọn lửa lưu huỳnh có thể xua đuổi được ma quỷ.

       Thời trung cổ đã biết dùng lưu huỳnh và hợp chất của lưu huỳnh để điều chế mỹ phẩm và chữa bệnh ngoài da. Thuốc súng có tên “lửa Hi Lạp” ,mà người Hi Lạp năm 670 đã dùng để đốt cháy chiến thuyền của Ai Cập, có thành phần (lưu huỳnh, than, diêm tiêu) và tỉ lệ gần như thuốc súng ngày nay.

       Tính chất cháy được và khả năng hóa hợp dễ dàng với nhiều kim loại làm cho lưu huỳnh có vị trí ưu đãi đối với các nhà giả kim thuật thời Trung cổ.