Mở đầu: Người dỡ bỏ bức màn bí mật bao phủ bầu khí quyển Trái Đất
Trong suốt hàng nghìn năm lịch sử từ thời Hy Lạp cổ đại cho đến tận giữa thế kỷ 18, loài người vẫn tin theo quan niệm của Aristotle rằng “không khí” là một trong bốn nguyên tố cơ bản, đồng nhất và không thể phân chia. Người ta hít thở không khí mỗi giây nhưng hoàn toàn mù tịt về bản chất hóa học của nó, xem mọi luồng khí chỉ là những biến thể khác nhau về độ ẩm hoặc độ ô nhiễm của cùng một bầu khí quyển duy nhất.
Người có công lao thực nghiệm vĩ đại nhất trong việc đập tan ảo tưởng ấy, chứng minh rằng không khí là một hỗn hợp phức tạp của nhiều chất khí độc lập, chính là mục sư kiêm nhà triết học tự nhiên người Anh Joseph Priestley. Bằng tài năng chế tạo dụng cụ thí nghiệm khéo léo và óc quan sát nhạy bén, Priestley đã lần đầu tiên cô lập và định danh hàng loạt đơn chất và hợp chất khí quan trọng nhất của hành tinh chúng ta: từ khí Amoniac ($NH_3$), Khí hydro clorua ($HCl$), Lưu huỳnh đioxit ($SO_2$), Cacbon monoxit ($CO$), Dinitơ oxit ($N_2O$ – khí cười) cho đến phát minh vĩ đại nhất: Khí Oxy.
Không dừng lại ở đó, Priestley còn là cha đẻ của ngành công nghiệp đồ uống có gas (nước soda) trị giá hàng trăm tỷ USD ngày nay, người đầu tiên phát hiện ra quá trình hô hấp quang hợp ở thực vật và phát minh ra cục tẩy bút chì bằng cao su. Tuy nhiên, cuộc đời ông cũng là một câu chuyện đầy kịch tính lịch sử: một nhà thực nghiệm thiên tài nhưng lại bướng bỉnh bảo vệ Thuyết Phlogiston lỗi thời, và một nhà tư tưởng tự do cấp tiến bị đám đông cuồng tín thiêu rụi nhà cửa trước khi phải di cư sang Tân thế giới.
1. Thời niên thiếu tại Yorkshire và cơ duyên với Benjamin Franklin
Joseph Priestley sinh ngày 13 tháng 3 năm 1733 tại Birstall, hạt Yorkshire, Vương quốc Anh. Mồ côi mẹ từ năm lên 6 tuổi, ông được người cô giàu có nhận nuôi và tạo điều kiện học hành chu đáo. Dù sức khỏe từ nhỏ yếu ớt và mắc tật nói lắp, cậu bé Priestley lại bộc lộ trí tuệ phi thường: tự học thành thạo tiếng Latin, Hy Lạp, Do Thái, Ả Rập, Pháp, Đức và say mê toán học, khoa học tự nhiên.
Do thuộc nhóm Thanh giáo Bất đồng chính kiến (Dissenters) không tuân theo Giáo hội Anh giáo, Priestley không được phép theo học tại Oxford hay Cambridge. Ông vào Học viện Daventry, sau đó trở thành mục sư và thầy giáo dạy văn học tại Học viện Warrington. Chính tại đây, ông bắt đầu viết những cuốn sách giáo khoa ngữ pháp tiếng Anh mẫu mực và mở rộng mối quan tâm sang triết học tự nhiên.
Cuộc gặp gỡ định mệnh tại London (1766)
Tháng 12 năm 1765, trong một chuyến đi tới London, Priestley đã có cơ hội gặp gỡ Benjamin Franklin — nhà bác học và chính trị gia lỗi lạc người Mỹ, lúc đó đang ở Anh với tư cách đại diện ngoại giao. Franklin đã nhìn thấy ở chàng mục sư trẻ một ngọn lửa đam mê khoa học chân chính và khuyến khích Priestley dấn thân vào nghiên cứu thực nghiệm.
Được Franklin truyền cảm hứng và cung cấp tài liệu, chỉ trong vòng một năm, Priestley đã tiến hành hàng loạt thí nghiệm về tĩnh điện và xuất bản cuốn sách đồ sộ “Lịch sử và Hiện trạng Điện học” (1767). Trong công trình này, ông là người đầu tiên chứng minh than củi dẫn điện và tiên đoán chuẩn xác định luật nghịch đảo bình phương khoảng cách của lực tĩnh điện (mà sau này Charles-Augustin de Coulomb đã chứng minh bằng toán học).
2. Phát minh Nước có gas (Soda) năm 1767 và Huy chương Copley
Năm 1767, Priestley chuyển đến nhận nhiệm sở mục sư tại Leeds. Nhà của ông tình cờ nằm ngay cạnh một nhà máy sản xuất bia lớn. Sự tò mò khoa học đã kéo ông sang các thùng ủ men bia khổng lồ, nơi bốc lên một lớp khí nặng tích tụ trên bề mặt men sủi bọt — thứ mà Joseph Black gọi là “không khí cố định” (fixed air, tức khí Cacbonic $CO_2$).
Priestley quan sát thấy ngọn nến đưa vào miệng thùng bia lập tức tắt ngấm, và lớp khí này có thể rót từ bình này sang bình khác như một chất lỏng vô hình. Ông bắt đầu nghĩ cách hòa tan loại khí này vào nước:
Bằng cách tạo ra phản ứng giữa dầu luân (axit sunfuric $H_2SO_4$) với phấn trắng ($CaCO_3$) trong một bình kín rồi dẫn dòng khí $CO_2$ sục qua một âu nước lạnh đặt ngược, Priestley nhận thấy nước hấp thụ một lượng lớn khí và tạo ra một thứ nước uống có vị chua dịu, sủi bọt lăn tăn và mang lại cảm giác vô cùng sảng khoái dễ chịu.
Khai sinh ngành công nghiệp nước ngọt thế giới
Năm 1772, Priestley xuất bản tập tiểu luận “Chỉ dẫn cách pha chế nước có gas với không khí cố định”. Ông tin rằng loại nước này có thể phòng chống bệnh scorbut (hoại huyết) cho các thủy thủ trên tàu viễn dương của Hải quân Hoàng gia Anh. Dù ứng dụng y học không chính xác, phát minh này đã lập tức được doanh nhân Johann Jacob Schweppe tiếp nhận và phát triển thành thương hiệu nước giải khát Schweppes nổi tiếng toàn cầu.
Cũng trong năm 1772, Hội đồng Hoàng gia Luân Đôn đã trao tặng Joseph Priestley Huy chương Copley — giải thưởng khoa học cao quý nhất nước Anh — để vinh danh những khám phá tiên phong của ông về các trạng thái khí.
3. Đột phá kỹ thuật: Chậu thu khí bằng thủy ngân và bộ sưu tập khí mới
Trước Priestley, các nhà hóa học chỉ biết thu khí bằng cách dời chỗ của nước trong chậu nước (water trough do Stephen Hales phát minh). Phương pháp này có một nhược điểm chí mạng: nó hoàn toàn bất lực trước những chất khí dễ tan trong nước như amoniac hay hydro clorua.
Priestley đã thực hiện một bước cải tiến thiên tài: thay thế toàn bộ nước trong chậu thu khí bằng thủy ngân lỏng (mercury trough). Vì thủy ngân không phản ứng và không hòa tan các chất khí thông thường, cánh cửa vào thế giới hóa học chất khí đã mở toang. Với chiếc chậu thủy ngân này, Priestley đã liên tiếp cô lập thành công những chất khí hoàn toàn mới:
- Khí Amoniac ($NH_3$): Ông gọi là “không khí kiềm” (alkaline air), thu được khi nung nóng amoni clorua với vôi sống.
- Khí Hydro clorua ($HCl$): Ông gọi là “không khí axit biển” (marine acid air), tạo ra từ muối ăn và axit sunfuric đặc.
- Khí Lưu huỳnh đioxit ($SO_2$): Ông gọi là “không khí vitriol”, thu được khi nung sôi đồng hoặc thủy ngân với axit sunfuric.
- Khí Dinitơ oxit ($N_2O$): Ông gọi là “không khí nitơ khử”, chính là khí cười mà sau này Humphry Davy sử dụng làm chất gây mê đầu tiên trong phẫu thuật.
- Khí Cacbon monoxit ($CO$): Thu được khi khử oxit kim loại bằng than nóng đỏ.
Tham khảo thêm: Những bộ óc vĩ đại khai sinh Hóa học Hiện đại
Tìm hiểu cuộc đời và các công trình nền tảng của những vĩ nhân định hình nền hóa học thế giới:
4. Ngày 01/08/1774: Khám phá vĩ đại về Khí Oxy tại Bowood House
Năm 1773, Bá tước xứ Shelburne (sau này là Thủ tướng Anh William Petty) bổ nhiệm Priestley làm thủ thư kiêm cố vấn tri thức tại dinh thự tráng lệ Bowood House ở Wiltshire. Tại đây, Priestley được cấp một phòng thí nghiệm tiện nghi với đầy đủ trang thiết bị hiện đại.
Vào buổi sáng định mệnh ngày 1 tháng 8 năm 1774, Priestley quyết định tiến hành thí nghiệm với chất bột kết tinh màu đỏ có tên gọi thời đó là mercurius calcinatus per se (tức Oxit thủy ngân II, $HgO$). Ông cho chất bột vào một ống thủy tinh nhỏ, đổ đầy thủy ngân rồi úp ngược vào chậu thủy ngân.
Chiếc thấu kính hội tụ 12 inch và ngọn nến bùng cháy
Sử dụng một thấu kính hội tụ thủy tinh khổng lồ có đường kính lên tới 12 inch (khoảng 30 cm), Priestley tập trung chùm tia sáng mặt trời gay gắt vào đáy ống nghiệm để nung nóng oxit thủy ngân. Dưới nhiệt độ cao, chất bột màu đỏ bắt đầu phân hủy, giải phóng các hạt thủy ngân kim loại sáng bóng bám vào thành ống và một lượng khí không màu thoát ra chiếm chỗ phía trên:
Priestley vô cùng kinh ngạc trước những đặc tính chưa từng thấy của loại khí này:
- Khi ông đưa một cây nến đang cháy vào bình chứa, thay vì bị dập tắt, ngọn lửa bùng cháy dữ dội với ánh sáng chói lòa và nhiệt độ tỏa ra cực kỳ mãnh liệt.
- Một mẩu than củi hồng vừa nhúng vào khí lập tức bốc cháy rực sáng như pháo hoa.
- Ông thả hai con chuột vào hai bình khí riêng biệt: một bình chứa không khí thông thường và một bình chứa khí mới thu được. Con chuột trong không khí thường lịm dần sau nửa giờ, trong khi con chuột trong bình khí mới vẫn nhảy nhót khỏe mạnh suốt gần một tiếng đồng hồ!
- Bản thân Priestley đã dũng cảm tự mình hít thở trực tiếp khí này qua một ống thủy tinh. Ông ghi lại trong nhật ký:
“Cảm giác hít vào buồng phổi không có gì khác biệt rõ rệt so với không khí thông thường, nhưng sau đó lồng ngực tôi cảm thấy nhẹ nhõm và sảng khoái một cách kỳ lạ. Biết đâu trong tương lai, thứ không khí tinh khiết tuyệt vời này sẽ trở thành một món hàng xa xỉ đắt giá; hiện tại, mới chỉ có hai con chuột và tôi là có vinh dự được hít thở nó!”
5. Cuộc gặp gỡ tại Paris và Cuộc cách mạng Hóa học của Lavoisier
Vào tháng 10 năm 1774, đi cùng Bá tước Shelburne trong chuyến công du sang Paris, Priestley được mời dự tiệc chiêu đãi long trọng do Viện Hàn lâm Khoa học Pháp tổ chức. Ngồi cạnh ông trong bữa ăn tối hôm đó chính là nhà hóa học lỗi lạc Antoine Lavoisier.
Bằng sự cởi mở và hào phóng khoa học thuần khiết, Priestley đã hào hứng kể chi tiết cho Lavoisier nghe về thí nghiệm nung oxit thủy ngân bằng thấu kính và những đặc tính kỳ lạ của loại khí duy trì sự cháy mãnh liệt mà ông vừa tìm ra ở Bowood House.
Cú hích khai sinh Hóa học Hiện đại
Lời chia sẻ của Priestley như một tia chớp rạch ngang bầu trời đêm soi rọi vào những bế tắc mà Lavoisier đang gặp phải. Ngay lập tức, Lavoisier trở về phòng thí nghiệm tại Điện Arsenal, lặp lại thí nghiệm của Priestley với những chiếc cân tiểu ly chính xác đến từng miligram.
Trong khi Priestley giải thích hiện tượng theo thuyết cũ — cho rằng khí này hút phlogiston từ ngọn lửa nên gọi là “không khí khử phlogiston” (dephlogisticated air) — thì Lavoisier với tư duy định lượng sắc bén đã nhìn ra chân lý: Đây không phải là không khí bị lấy đi thứ gì, mà chính là nguyên tố hóa học cơ bản duy trì sự sống và sự cháy. Lavoisier đặt tên cho nó là Oxygène (Oxy) — bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp mang nghĩa “chất tạo ra axit” — và dùng nó để lật đổ hoàn toàn Thuyết Phlogiston, đặt nền móng cho Hóa học Hiện đại.
Tham khảo thêm: Lịch sử các bước ngoặt vĩ đại của Khoa học Tự nhiên
Khám phá các trang sử hào hùng về sự hình thành các định luật và lý thuyết trụ cột:
6. Bi kịch bảo thủ: Bám chặt thuyết Phlogiston đến hơi thở cuối cùng
Lịch sử khoa học luôn ẩn chứa những nghịch lý đầy trớ trêu. Joseph Priestley là người nắm trong tay chìa khóa mở cánh cửa cách mạng, nhưng ông lại từ chối bước qua cánh cửa đó. Trong suốt phần đời còn lại, bất chấp toàn bộ giới khoa học châu Âu (từ Lavoisier, Berthollet, Laplace cho đến Klaproth) đều đã công nhận thuyết oxy và từ bỏ thuyết phlogiston, Priestley vẫn kiên quyết bảo vệ phlogiston bằng hàng chục cuốn sách và bài tiểu luận luận chiến.
Ông xem phlogiston như một nguyên lý triết học không thể thay thế của vật chất. Dù vậy, các nhà sử học không hề đánh giá thấp Priestley. Như nhà hóa học Sir Humphry Davy từng nhận định:
“Không một nhà nghiên cứu nào từng phát hiện ra nhiều chất mới với những phương tiện đơn giản và chính xác như Joseph Priestley. Những sai lầm trong lý thuyết của ông chỉ là hạt bụi nhỏ trước tòa lâu đài thực nghiệm vĩ đại mà ông đã xây dựng cho nhân loại.”
7. Bạo loạn Birmingham năm 1791 và cuộc di cư sang Mỹ
Bên cạnh khoa học, Priestley còn là một nhà hoạt động chính trị và thần học cấp tiến. Ông công khai ủng hộ cuộc Cách mạng Pháp (1789) và Cách mạng Hoa Kỳ, lên tiếng đòi quyền bình đẳng tôn giáo cho các tín đồ bất đồng chính kiến và chỉ trích chế độ quân chủ độc tài. Quan điểm tự do của ông đã biến ông thành cái gai trong mắt các phần tử bảo thủ và Giáo hội Anh giáo.
Ngọn lửa cuồng tín thiêu rụi di sản
Ngày 14 tháng 7 năm 1791 — nhân kỷ niệm 2 năm ngày phá ngục Bastille của Cách mạng Pháp — một đám đông cuồng tín bảo hoàng mang danh “Vua và Giáo hội” (Church and King mob) đã kéo đến tấn công nhà ở và nhà thờ của Priestley tại Fair Hill, Birmingham.
Priestley và gia đình may mắn được bạn bè cảnh báo kịp thời chạy trốn trước vài phút. Đám đông giận dữ đã đập phá tan tành, châm lửa thiêu rụi toàn bộ ngôi nhà, thư viện quý giá chứa hàng nghìn đầu sách cổ và đặc biệt là toàn bộ phòng thí nghiệm hóa học chất khí tinh xảo cùng hàng trăm bản thảo thí nghiệm chưa kịp xuất bản của ông. Vụ bạo động này đi vào lịch sử nước Anh với tên gọi Cuộc bạo loạn Priestley (Priestley Riots).
Những năm tháng bình yên tại Pennsylvania
Nhận thấy nước Anh không còn an toàn cho những người có tư tưởng tự do, năm 1794, ở tuổi 61, Joseph Priestley quyết định cùng gia đình vượt Đại Tây Dương di cư sang Hoa Kỳ. Ông được đích thân Tổng thống George Washington và người bạn thân lâu năm Thomas Jefferson chào đón nồng nhiệt.
Từ chối lời mời làm Giáo sư Hóa học tại Đại học Pennsylvania, Priestley chọn lui về thị trấn thanh bình Northumberland bên dòng sông Susquehanna (Pennsylvania). Tại đây, ông tự tay xây dựng một ngôi nhà gỗ xinh đẹp có phòng thí nghiệm riêng, tiếp tục nghiên cứu hóa học, cô lập khí cacbon monoxit ($CO$) và giao lưu học thuật với các nhà lập quốc của Hợp chủng quốc Hoa Kỳ.
8. Niên biểu cuộc đời và sự nghiệp Joseph Priestley
Lời kết: Tượng đài bất hủ của lòng say mê thực nghiệm khai sáng
Joseph Priestley qua đời thanh thản vào ngày 6 tháng 2 năm 1804 tại Northumberland, Pennsylvania, hưởng thọ 70 tuổi. Ngôi nhà và phòng thí nghiệm mộc mạc của ông bên bờ sông Susquehanna năm 1874 đã trở thành nơi tụ họp lịch sử của 77 nhà hóa học hàng đầu nước Mỹ — cuộc gặp gỡ định mệnh khai sinh ra Hội Hóa học Hoa Kỳ (ACS), tổ chức khoa học lớn nhất thế giới ngày nay. Giải thưởng danh giá nhất của hội — Huân chương Priestley (Priestley Medal) — chính là lời nhắc nhở vĩnh hằng về tinh thần khai sáng vô song của ông.
Dù lịch sử đôi khi khắt khe nhắc đến ông như người kiên trì bảo vệ một học thuyết đã chết, nhưng không một ai có thể phủ nhận rằng nếu không có đôi bàn tay thực nghiệm tài hoa, sự tỉ mỉ phi thường và tâm hồn tự do không biết sợ hãi của Joseph Priestley, nhân loại có lẽ sẽ phải mất thêm nhiều thập kỷ nữa mới có thể thấu hiểu được hơi thở nuôi dưỡng sự sống trên hành tinh này: Khí Oxy.
