Amedeo Avogadro

1.1. Nguồn gốc và thời thơ ấu

Amedeo Avogadro sinh ngày 9 tháng 8 năm 1776 tại Turin, Piedmont, thuộc Vương quốc Sardinia. Cha ông là Filippo Avogadro, một luật sư và thành viên hội đồng có địa vị cao trong Vương quốc Sardinia, còn mẹ ông là Anna Vercellone. Ông lớn lên trong một gia đình quý tộc, tạo điều kiện thuận lợi cho việc học tập và nghiên cứu sau này.

1.2. Học vấn

Avogadro theo học ngành luật và triết học tại Đại học Turin. Ông tốt nghiệp ngành luật giáo hội vào năm 1796, khi mới 20 tuổi, và bắt đầu hành nghề luật sư. Tuy nhiên, không lâu sau đó, ông dần chuyển hướng sang nghiên cứu vật lý và toán học, những lĩnh vực mà ông gọi là "triết học thực chứng". Ông tự học và dành nhiều thời gian cho các nghiên cứu khoa học.

1.3. Sự nghiệp ban đầu và hoạt động học thuật

Sau khi tốt nghiệp luật, Avogadro làm luật sư trong vài năm. Khoảng năm 1800, ông bắt đầu thể hiện sự quan tâm sâu sắc đến toán học và vật lý. Năm 1803, ông trình bày công trình khoa học đầu tiên của mình về kỹ thuật điện tại Viện Hàn lâm Khoa học Turin. Đến năm 1806, ông trở thành trợ giảng tại Đại học Turin. Năm 1809, ông được bổ nhiệm làm giáo sư triết học tự nhiên tại Đại học Hoàng gia Vercelli, nơi gia đình ông sinh sống và có tài sản.

Vào năm 1811, ông xuất bản một bài báo mang tựa đề Essai d'une manière de déterminer les masses relatives des molécules élémentaires des corps, et les proportions selon lesquelles elles entrent dans ces combinaisons (tạm dịch: "Luận về một phương pháp xác định khối lượng tương đối của các phân tử nguyên tố của các chất, và tỉ lệ mà chúng tham gia vào các hợp chất"), trong đó chứa đựng giả thuyết Avogadro nổi tiếng. Avogadro đã gửi bài luận này cho tạp chí tiếng Pháp Journal de Physique, de Chimie et d'Histoire naturelle ("Tạp chí Vật lý, Hóa học và Lịch sử tự nhiên") của Jean-Claude Delamétherie.

1.4. Sự nghiệp giảng dạy

Năm 1820, Avogadro trở thành giáo sư vật lý tại Đại học Turin, nơi ông là giáo sư đầu tiên của bộ môn vật lý toán học. Turin lúc bấy giờ là thủ đô của Vương quốc Sardinia được phục hồi dưới sự cai trị của Victor Emmanuel I của Sardinia.



Trong giai đoạn này, ông đã tích cực nghiên cứu về điện, hiện tượng mao dẫn, nhiệt dung riêng và sự giãn nở nhiệt. Tuy nhiên, vào tháng 3 năm 1821, Avogadro tham gia vào phong trào cách mạng chống lại Vua Victor Emmanuel I. Hậu quả là ông mất chức giáo sư vào năm 1823. Đại học Turin chính thức tuyên bố rằng họ "rất vui lòng cho phép nhà khoa học thú vị này nghỉ ngơi khỏi nhiệm vụ giảng dạy nặng nề, để có thể tập trung tốt hơn vào các nghiên cứu của mình".

Trước khi Vua Charles Albert của Savoy ban hành Hiến pháp (Statuto Albertino) vào năm 1848, Avogadro đã được triệu hồi trở lại Đại học Turin vào năm 1833. Ông tiếp tục giảng dạy tại đây trong hai mươi năm nữa, cho đến năm 1850.

1.5. Hoạt động chính trị và dịch vụ công

Avogadro không chỉ là một nhà khoa học mà còn là một công dân tích cực trong các hoạt động chính trị. Ông tham gia vào phong trào cách mạng tháng 3 năm 1821 chống lại vua Victor Emmanuel I của Sardinia. Một số nhà sử học cho rằng ông đã tài trợ cho một số nhà cách mạng Sardinia, mặc dù phong trào này đã bị dập tắt sau khi Charles Albert ban hành hiến pháp.

Ông cũng giữ nhiều chức vụ liên quan đến thống kê, khí tượng học và hệ thống đo lường (ông đã giới thiệu hệ mét vào Piedmont). Avogadro là thành viên của Hội đồng Tối cao Hoàng gia về Giáo dục Công cộng.

1.6. Đời sống cá nhân

Cuộc sống riêng tư của Avogadro ít được biết đến, nhưng dường như ông là một người sống giản dị và sùng đạo. Ông kết hôn với Felicita Mazzé và có sáu hoặc bảy người con. Mặc dù là một nhà khoa học lỗi lạc, Avogadro ít tiếp xúc với các nhà hóa học khác và thường tự trích dẫn các công trình của mình, điều này có thể là một phần lý do khiến ông không được biết đến rộng rãi trong cộng đồng khoa học quốc tế khi còn sống. Ông thông thạo nhiều ngoại ngữ, và nhiều bài báo của ông được viết bằng tiếng Pháp.

1.7. Qua đời

Amedeo Avogadro qua đời vào ngày 9 tháng 7 năm 1856 tại Turin, hưởng thọ 80 tuổi. Các công trình của ông chỉ thực sự được đánh giá lại và công nhận rộng rãi bốn năm sau khi ông qua đời, vào năm 1860.

2.1. Định luật Avogadro

Nội dung cơ bản của định luật Avogadro là "trong cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất, các thể tích khí bằng nhau, bất kể loại khí, sẽ chứa số lượng phân tử như nhau". Định luật này được Avogadro phát triển sau khi Joseph Louis Gay-Lussac công bố định luật về thể tích (và sự kết hợp của các chất khí) vào năm 1808.

Vấn đề lớn nhất mà Avogadro phải giải quyết là sự nhầm lẫn giữa nguyên tử và phân tử vào thời điểm đó. Một trong những đóng góp quan trọng nhất của ông là phân biệt rõ ràng giữa hai khái niệm này, khẳng định rằng các chất khí được cấu tạo từ các phân tử, và các phân tử này lại được cấu tạo từ các nguyên tử. Chẳng hạn, John Dalton đã không xem xét khả năng này, ông tin rằng các chất đơn chất được cấu tạo từ các nguyên tử đơn lẻ. Avogadro không thực sự sử dụng từ "nguyên tử" mà thay vào đó là "phân tử nguyên tố" để chỉ nguyên tử.

Để minh họa, hãy xem xét phản ứng giữa hydro và oxy tạo thành hơi nước. Theo các thí nghiệm, 2 thể tích hydro phản ứng với 1 thể tích oxy để tạo ra 2 thể tích hơi nước.
Nếu theo giả thuyết của Dalton (nguyên tử đơn lẻ), phản ứng sẽ là:
:H + O → HO
Điều này không phù hợp với tỉ lệ thể tích 2:1:2 quan sát được.

Avogadro đã đề xuất rằng các khí đơn chất như hydro và oxy tồn tại dưới dạng phân tử hai nguyên tử (H₂, O₂). Với giả thuyết này, phản ứng được mô tả như sau:
:2H₂ + O₂ → 2H₂O
Phương trình này hoàn toàn phù hợp với tỉ lệ thể tích thực nghiệm 2:1:2. Định luật Avogadro là một trong những định luật cơ bản và quan trọng nhất trong hóa học, thường được giảng dạy ngay từ những năm đầu. Nó cũng là nền tảng cho các tính toán về khí lý tưởng. Ví dụ, ở 0 °C và áp suất 1.013 × 10⁵ Pa, 1 mol khí (chứa 6.0221 count phân tử) sẽ chiếm thể tích 22.414 L, bất kể loại khí.

2.2. Phân biệt nguyên tử và phân tử

Trước Avogadro, cộng đồng khoa học, đặc biệt là John Dalton, thường xem các hạt cơ bản của một chất là nguyên tử và không phân biệt rõ ràng giữa nguyên tử và phân tử. Sự nhầm lẫn này gây ra nhiều khó khăn trong việc giải thích các phản ứng hóa học, đặc biệt là các phản ứng của chất khí.

Avogadro đã giải quyết vấn đề này bằng cách đưa ra khái niệm phân tử, khẳng định rằng các chất khí được tạo thành từ các phân tử, và các phân tử này có thể được cấu tạo từ một hoặc nhiều nguyên tử. Ông đã đề xuất rằng các khí đơn chất như hydro, oxy, nitơ tồn tại dưới dạng phân tử hai nguyên tử.

Năm 1811, ông đã đưa ra các công thức phân tử chính xác cho nước, axit nitric, axit nitrơ, amonia, cacbon monoxit và hydro clorua. Đến năm 1814, ông tiếp tục đề xuất công thức phân tử cho cacbon đioxit, cacbon đisunfua, lưu huỳnh đioxit và hydro sunfua. Ngoài ra, ông còn áp dụng định luật của mình cho các kim loại, tính toán khối lượng nguyên tử cho 17 loại kim loại khác nhau. Sự phân biệt rõ ràng giữa nguyên tử và phân tử của Avogadro là một bước tiến cách mạng, giúp giải quyết nhiều mâu thuẫn trong lý thuyết hóa học thời bấy giờ và mở đường cho sự phát triển của hóa học hiện đại.

2.3. Hằng số Avogadro

Để vinh danh những đóng góp của Avogadro cho lý thuyết phân tử, số lượng các thực thể cơ bản (nguyên tử, phân tử, ion hoặc các hạt khác) trong một mol chất được đặt tên là hằng số Avogadro, ký hiệu là N_A. Giá trị chính xác của hằng số Avogadro là 6.02214076 count hạt/mol.

Hằng số Avogadro là một khái niệm cực kỳ quan trọng trong hóa học và vật lý. Nó được sử dụng để tính toán kết quả của các phản ứng hóa học, cho phép các nhà hóa học xác định lượng chất được tạo ra trong một phản ứng cụ thể với độ chính xác cao.

Johann Josef Loschmidt là người đầu tiên tính toán giá trị của hằng số Avogadro, đôi khi được gọi là số Loschmidt ở các nước nói tiếng Đức (mặc dù hằng số Loschmidt hiện nay có một ý nghĩa khác).

2.4. Các công trình và ấn phẩm chính

Avogadro là một nhà khoa học năng suất, đã xuất bản nhiều công trình quan trọng trong suốt sự nghiệp của mình:

• Essai d'une manière de déterminer les masses relatives des molécules élémentaires des corps, et les proportions selon lesquelles elles entrent dans ces combinaisons (1811): Bài báo kinh điển chứa đựng giả thuyết Avogadro.
• Mémoire sur les masses relatives des molécules des corps simples, ou densités présumées de leur gaz, et sur la constitution de quelques-uns de leur composés, pour servir de suite à l'Essai sur le même sujet, publié dans le Journal de Physique, juillet 1811 (1815): Công trình tiếp theo về khối lượng tương đối của các phân tử nguyên tố và mật độ khí.
• Nouvelles considérations sur la théorie des proportions déterminées dans les combinaisons, et sur la détermination des masses des molécules des corps (1821): "Những cân nhắc mới về lý thuyết tỉ lệ xác định trong các hợp chất, và về việc xác định khối lượng các nguyên tử".
• Mémoire sur la manière de ramener les composès organiques aux lois ordinaires des proportions déterminées (ngay sau 1821): "Ghi chú về cách tìm thành phần hữu cơ theo các định luật thông thường về tỉ lệ xác định".
• Fisica dei corpi ponderabili, ossia Trattato della costituzione materiale de' corpi (4 tập, xuất bản từ 1837 đến 1841): Tác phẩm tổng hợp các nghiên cứu của ông về vật lý của các vật thể có khối lượng.

2.5. Các lĩnh vực nghiên cứu khác

Ngoài những đóng góp nổi bật về lý thuyết nguyên tử và phân tử, Avogadro còn tiến hành nghiên cứu và xuất bản nhiều bài báo về các lĩnh vực khác như:

• Điện: Ông đã trình bày công trình đầu tiên về kỹ thuật điện vào năm 1803.
• Nhiệt dung riêng: Nghiên cứu về nhiệt dung riêng của các chất rắn và lỏng.
• Hiện tượng mao dẫn: Ông cũng khám phá các khía cạnh của hiện tượng mao dẫn.
• Sự giãn nở nhiệt: Nghiên cứu về sự giãn nở của vật chất khi nhiệt độ thay đổi.
• Khí tượng học và Thống kê: Ông giữ các chức vụ liên quan đến khí tượng học và thống kê trong chính phủ.
• Đo lường học: Ông đã đóng vai trò quan trọng trong việc giới thiệu hệ mét vào vùng Piedmont.

3.1. Tiếp nhận ban đầu và sự thờ ơ

Lý thuyết của Avogadro đã không nhận được sự chú ý lớn từ cộng đồng khoa học vào thời điểm công bố. Một phần lý do là bài báo của ông được viết bằng một văn phong phức tạp, có lẽ do nền tảng luật sư của ông. Hơn nữa, Avogadro có xu hướng ít tiếp xúc với các nhà hóa học khác và thường tự trích dẫn các công trình của mình, điều này cũng góp phần khiến ông ít được biết đến.

Ba năm sau, vào năm 1813, André-Marie Ampère đã đề xuất một lý thuyết rất tương tự, nhưng công trình của ông cũng gặp phải sự thờ ơ tương tự. Các thí nghiệm liên quan đến một số chất vô cơ dường như cho thấy những mâu thuẫn với định luật của Avogadro, khiến việc chấp nhận lý thuyết này càng trở nên khó khăn.

3.2. Đánh giá lại và sự công nhận

Sự công nhận đối với lý thuyết của Avogadro chỉ đến sau này, nhờ vào công sức của các nhà khoa học khác.

• Charles Frédéric Gerhardt và Auguste Laurent thông qua các nghiên cứu về hóa học hữu cơ đã chứng minh rằng định luật Avogadro giải thích tại sao cùng một lượng phân tử trong một chất khí lại chiếm cùng một thể tích.
• Mâu thuẫn với các chất vô cơ cuối cùng đã được giải quyết bởi Stanislao Cannizzaro. Tại Đại hội Karlsruhe vào năm 1860, bốn năm sau cái chết của Avogadro, Cannizzaro đã công bố kết quả nghiên cứu của mình. Ông giải thích rằng những trường hợp ngoại lệ là do sự phân ly phân tử ở nhiệt độ nhất định, và định luật Avogadro không chỉ xác định khối lượng phân tử mà còn xác định cả khối lượng nguyên tử. Bài luận của Cannizzaro, "Tóm tắt các bài giảng về lý thuyết hóa học tại Đại học Genoa" (1858), và bài trình bày của ông tại Hội nghị Karlsruhe đã đóng vai trò then chốt trong việc tái đánh giá và phổ biến công trình của Avogadro.
• Năm 1911, một cuộc họp tại Turin đã kỷ niệm một trăm năm ngày công bố bài báo kinh điển năm 1811 của Avogadro. Vua Victor Emmanuel III đã tham dự, và những đóng góp vĩ đại của Avogadro cho hóa học đã được công nhận rộng rãi.
• Rudolf Clausius, với lý thuyết động học chất khí được đề xuất vào năm 1857, đã cung cấp thêm bằng chứng cho định luật Avogadro.
• Jacobus Henricus van 't Hoff cũng chứng minh rằng lý thuyết của Avogadro vẫn đúng trong các dung dịch loãng.

4.1. Đóng góp cho sự phát triển khoa học

Avogadro được ca ngợi là một trong những người sáng lập lý thuyết nguyên tử-phân tử hiện đại. Sự phân biệt rõ ràng của ông giữa nguyên tử và phân tử đã giải quyết những mâu thuẫn lớn trong hóa học đầu thế kỷ 19, đặc biệt là trong việc giải thích các phản ứng của chất khí. Định luật Avogadro đã cung cấp một phương pháp đáng tin cậy để xác định khối lượng phân tử và nguyên tử, từ đó mở ra con đường cho sự phát triển của hóa học định lượng. Nó cũng là nền tảng cho các tính toán trong khí lý tưởng và cung cấp ý tưởng về việc sử dụng chất khí trong các phép tính số lượng hạt.

4.2. Vinh danh và tưởng niệm

Để vinh danh những đóng góp to lớn của ông, tên của Avogadro đã được đặt cho một số khái niệm và đối tượng khoa học:

• Hằng số Avogadro (N_A): Là số lượng các thực thể cơ bản trong một mol chất, là một trong những hằng số cơ bản nhất trong hóa học và vật lý.
• Số Loschmidt: Mặc dù hiện nay có một ý nghĩa khác, nhưng trong quá khứ, giá trị của hằng số Avogadro đôi khi được gọi là số Loschmidt ở các quốc gia nói tiếng Đức, do Johann Josef Loschmidt là người đầu tiên tính toán giá trị này.
• Avogadrite: Một loại khoáng vật được đặt tên theo ông.
• Hố Avogadro: Một hố va chạm trên Mặt Trăng cũng được đặt tên để tưởng nhớ ông.

Năm 1911, một hội nghị tại Turin đã được tổ chức để kỷ niệm 100 năm ngày công bố bài báo kinh điển năm 1811 của Avogadro, với sự tham dự của Vua Victor Emmanuel III, khẳng định vị trí và tầm quan trọng của ông trong lịch sử khoa học.