تاریخ کشف عناصر خاک‌های کمیاب

روزگاری اوربن (1)، شیمیدان فرانسوی، درباره‌ی تاریخچه‌ی عناصر خاکهای کمیاب چنین گفت: «دریایی از اشتباه بود که حقیقت در آن دست و پا می‌زد». اگرچه این این دانشمندان به غلو کردن مشهور بود، در این مورد مبالغه نکرده است. در واقع، طی حدود سی و سه سال (از 1878 تا 1910) کشف بیش از یکصد عنصر خاکهای کمیاب گزارش شد که تنها ده مورد از آنها صحیح از آب درآمد. توصیف داستان پیچیده‌ی خاکهای کمیاب چندان آسان نیست.
لانتان و چهارده لانتانید بعدی، از سریوم تا لوتسیوم، معمولاً جزء عناصر خاکهای کمیاب محسوب می‌شوند. دو عنصر دیگر را می‌توان به این فهرست اضافه کرد: ایتریوم و اسکاندیوم؛ خواص این دو عنصر شبیه لانتان است و با خاکهای کمیاب پیوند تاریخی دارند. تاریخچه‌ی عناصر خاکهای کمیاب با کشف ایتریوم آغاز می‌شود. در اینجا تنها اشاره‌ای مختصر به اسکاندیوم شده است، در فصل نهم این عنصر را بهتر خواهیم شناخت.
به طور کلی، عناصر خاکهای کمیاب تمام عناصر طبیعی را تشکیل می‌دهند و کشف آنها طی 113 سال از 1794 (زمان کشف ایتریوم) تا 1907 (زمان کشف لوتسیوم) انجام پذیرفته است. تنها یک عنصر از خاکهای کمیاب، یعنی پرومتئوم، خارج از این دوره و به شکل مصنوعی تهیه شد. تاریخچه‌ی غیرعادی خاکهای کمیاب ناشی از خواص غیرمعمول آنها و، قبل از هر چیز، شباهت شیمیایی فوق‌العاده‌شان است. در کانیها و سنگ معدنهای مختلف، کلیه‌ی این عناصر یکجا یافت می‌شوند، و تجزیه‌ی مخلوط به اجزای تشکیل دهنده‌ی آنها بسیار مشکل است. بر این اساس، تاریخچه‌ی کشف این عناصر مملو از کشفیات اشتباه‌آمیزی است که طی آن عناصر کشف شده‌ی قبلی عنصری جدید تصور می‌شدند. حتی کشفیات واقعی هم، در همه‌ی موارد، مربوط به عناصر خالص خاکهای کمیاب نبود: در بسیاری از موارد عناصری کشف می‌شدند که بعدها ثابت می‌گردید مخلوطی از دو یا چند عنصر ناشناخته‌اند. به همین دلیل، تاریخهایی که عموماً برای کشف این عناصر پذیرفته شده است باید مورد بررسی مجدد قرار گیرد.
ویژگی مهم دیگری که در تاریخچه‌ی عناصر خاکهای کمیاب وجود دارد این است که تمام آنها اولین بار به صورت اکسید استخراج شدند: شیمیدانان گذشته نام «خاک» را برای اکسیدهای فلزاتی نظیر منیزیوم و کلسیوم (یعنی «فلزات قلیایی خاکی») به کار بردند. علاوه بر این، از کلمه‌ی خاک، به اشتباه، برای نامیدن اکسیدهای اولین عناصر خاکهای کمیاب، ایتریوم و سدیوم، نیز استفاده شد. و متعاقب آن، اصطلاح «خاکهای کمیاب» هم به غلط مصطلح گردید. فلزات خالص، سالها پس از کشف عناصر مربوطه تهیه گردید. مثلاً، یک سری از لانتانیدهای سنگین، پس از جنگ جهانی دوم به شکل خالص تهیه شد.

تاریخچه‌ی نخستین عناصر خاکهای کمیاب

در سال 1794، شیمیدان فنلاندی، یوهان گادولین (2)، استاد دانشگاه آبو (3)، اکسید یک عنصر ناشناخته را از ایتربیت (4) جدا کرد و آن را ایتریوم نامید. سنگ معدن مربوط به این ماده هفت سال قبل از معدنی واقع در دهکده‌ی ایتربی در سوئد به دست آمده بود. نام سنگ معدن هم از نام همین دهکده گرفته شد. بعدها این سنگ معدن، به افتخار گادولین، گادولینیت نامیده شد. علاوه بر آن، نام ایتریوم و سه عنصر خاکهای کمیاب دیگر، اربیوم، تربیوم، و ایتربیوم نیز از نام این دهکده مشتق شده است.
نمونه‌های سنگ معدن ایتربیت توسط دانشمندان دیگری نیز مطالعه شد: ووکلن در فرانسه و کلاپروت در آلمان، بررسیهایی روی این سنگ معدن به عمل آوردند. ضمناً این دانشمندان اکسیدی (خاک) جدید نیز در آن یافتند ولی مقادیر تعیین شده توسط این دو با هم تفاوت داشت. با اینکه هر دو از روش تجزیه‌ی یکسان استفاده کرده بودند، نتایج آن با هم فرق داشت و این تفاوت را می‌توان چنین توجیه کرد: سنگ معدن مزبور یک عنصر ناشناخته‌ی دیگر نیز در برداشت که جدا کردن آن از ایتریوم مشکل بود.
بعدها این استدلال تأیید شد، اما این «بیگانه» در سنگ معدن دیگری پیدا شد. این واقعه در سال 1803 اتفاق افتاد. از یک طرف برزلیوس و هیتسینگر، و از طرف دیگر کلاپروت اکسیدی از عنصر جدید را مستقل از یکدیگر به دست آوردند و آن را سریوم نامیدند. این نام از ستاره‌ای به نام سرس (5)، که در سال 1801 کشف شده بود، اقتباس شد. سنگ معدن مزبور را نیز سریت نامیدند. سالهای سال این دو سنگ معدن، گادولینیت و سریت، تنها منبع فلزات خاکهای کمیاب بودند.
سریوم از بسیاری جهات شبیه ایتریوم بود، گرچه بین آنها تفاوتهایی نیز وجود داشت. امروزه دریافته‌اند که آنچه در آن زمان سریوم نامیده می‌شد، مخلوط کمپلکسی از خاکهای کمیاب سریوم (از سریوم تا گادولینیوم)، و آنچه به نام «ایتریوم» شناخته می‌شد مخلوطی از خاکهای کمیاب ایتریوم (از تربیوم تا لوتسیوم)‌ بوده است. بر این اساس، در سالهای 1794 و 1803 ایتریوم و سریوم واقعی کشف نشدند. در سال 1826، موساندر (6)، یکی از شاگردان برزلیوس، حدس زد که سریوم استخراجی از سریت حاوی یک ناخالصی بوده است. سالها باید می‌گذشت تا حدس این دانشمند به یقین تبدیل می‌شد.

لانتان و دیدیمیوم، تربیوم و اربیوم

قبل از شروع مطالعات دقیق موساندر درباره‌ی خاکهای کمیاب، ایتریوم و سریوم توجه چندانی را به خود جلب نمی‌کردند. در مورد هر دو ماده‌ی یاد شده به عنوان عنصر اکتفا شده و خواص آنها کم و بیش مورد شناسایی قرار گرفته بود.
اگر رسم بر این بود که به بزرگداشت کشف هر عنصر درختی کاشته شود، در انبوه درختان موجود، ایتریوم و سریسوم هنوز دو نهال جوان بیش نبودند. در طول هفتاد سال، از سال 1839 به بعد بود که این دو نهال سریعاً رشد می‌کردند و بر شاخ و برگهایشان افزوده می‌شد.
موساندر، پس از مطالعه‌ی دقیق سریوم، دریافت که این عنصر حاوی دو عنصر جدید دیگر است. این دو عنصر عبارت بودند از لانتان و دیدیمیوم. «لانتان» از ریشه یونانی به معنی «در خفا ماندن» مشتق شده است و در واقع حکایت از این دارد که مدتی طولانی لانتان از دست پژوهشگران فرار می‌کرده است. «دیدیمیوم» در یونانی به معنی دو قلو است و این نام نیز بدان جهت انتخاب شد که دیدیمیوم و لانتان شباهت زیادی به هم داشتند و مهارت فوق‌العاده‌ی موساندر موجبات شناسایی این دو عنصر از یکدیگر را فراهم کرد. شاخه‌های درخت سریوم را می‌توان به شکل زیر نمایش داد:
بعدها، بسیاری از دانشمندان کوشش کردند به قلمرو خواص انحصاری سریوم و لانتان دست‌درازی کنند. آنان می‌خواستند ثابت کنند که این عناصر کمپلکس هستند. به هر حال، موساندر اکسیدهای نسبتاً خالصی از این عناصر تهیه کرد. اما دیدیمیوم سرنوشتی دیگر داشت شما نمی‌توانید نشانه‌ی این عنصر را در جدول تناوبی جدید بیابید. و این یک داستانی طولانی دارد که بعداً برایتان تعریف خواهیم کرد. در اینجا تنها اشاره می‌کنیم که تاریخچه‌ی واقعی سریوم از سال 1893 شروع می‌شود. در مورد ایتریوم نیز چنین است. موساندر، در سال 1843، با بهره‌گیری از موفقیت در تجزیه‌ی سریوم، مطالعه‌ی ایتریوم را شروع کرد. در این زمان بود که ایتریوم قدیمی گادولین چهره‌ی واقعی خود را نشان داد. در واقع، سه چهره وجود داشت: خود ایتریوم و دو عنصر کاملاً مشابه آن – تربیوم و اربیوم. موقعیت به شکل زیر بود:
ایتریوم شخصیت واقعی خود را بعدها به دست آورد. در این موقعیت، موساندر تربیوم خالص را تهیه کرد و آن را از گمنامی بیرون آورد. اربیوم نیز همان سرنوشت دیدیمیوم را داشت. در اینجا لزوم تصحیح تاریخهای کشف در فهرست عناصر شیمیایی احساس می‌شود: ایتریوم واقعی توسط موساندر، در سال 1843، به دست آمد. بنابراین، این موساندر بود که بر فراز سکوی افتخار کشف عناصر خاکهای کمیاب ایستاد.
پس از تحقیقات موساندر، فهرست عناصر خاکهای کمیاب برای مدت 40 سال بدون تغییر باقی ماند. در این دوره دانشمندان مرتکب اشتباهات زیادی شدند. فرمولهای مربوط به اکسیدهای این عناصر اشتباه بود و جرمهای اتمی هم اشتباه محاسبه می‌شد. در این موقعیت، مندلیف کاملاً‌ اطیمنان یافته بود که «اشتباهاتی رخ داده است» و پیشنهاد کرد جرمهای اتمی عناصر خاکهای کمیاب کشف شده تا سال 1869 تصحیح شود. از نوشته‌های موجود در رابطه با «قانون تناوبی» چنین برداشت می‌شود که مندلیف کاملاً حق داشته است، اما این اظهار نظر منطقی تأثیری در سرنوشت عناصر خاکهای کمیاب به جا نگذاشت. خواص این عناصر به قدری به هم شبیه بودند که جدا کردن آنها دقیقاً قابل کنترل نبود. شرایط گیج کننده بود: مخلوطی از عناصر به عنوان عنصری منفرد تصور می‌شد، و، به عکس، به اثبات می‌رسید که عناصر جدید کشف شده مخلوطی از چند عنصرند.
حتی تجزیه‌ی طیفی، که نقش مهمی در کشف عناصر جدید داشت، نتایجی را عرضه می‌کرد که اشتباه‌آمیز و غیرقابل اطمینان بودند.

«ایتربیوم»، اسکاندیوم، «هولمیوم»، تولیوم

تقریباً طی چهاردهه پس از پژوهشهای موساندر، نهال جوان «خاک کمیاب» هیچ‌گونه شاخه‌ی جدیدی پیدا نکرد. دلایل زیادی برای این موضوع وجود داشت. دانشمندان نتوانستند لرزه‌ای بر اندام بی‌ثبات شیمی عناصر خاکهای کمیاب بیندازند. جدا کردن این عناصر مبتنی بر واقعیت بود که نمکهای آنها از نظر قابلیت حل شدن با هم تفاوت داشتند، اگرچه این تفاوت بسیار ناچیز بود. بنابراین، جدا کردن یک خاک کمیاب از خاک کمیاب دیگر مستلزم صدها بار تبلور مشابه بود.
تعداد محدودی سنگ معدن حاوی خاک کمیاب شناخته شده بود. گادولینیت و سریت بسیار کمیاب بودند و سنگ معدنهای دیگر (در حدود ده نوع)، به دلیل نادر بودنشان، در حکم قطعات موزه‌ای بودند. به هر حال دوران کشفیات جدید فرارسید، و اولین جوانه‌ها روی درخت ایتریوم ظاهر شد. اربیوم موساندر مدتها مورد بحث و مجادله واقع شد تا اینکه در سال 1878، دانشمند سویسی، ماریناک، یک عنصر جدید از آن به دست آورد. وی این عنصر را ایتربیوم نامید که از نام دهکده‌ی ایتربی در سوئد اقتباس شده است.
ما در این بخش، هم در عنوان و هم در متن، نام «ایتربیوم» را داخل گیومه گذاشته‌ایم. این بدان معناست که «ایتربیوم» یک عنصر منفرد نیست بلکه مخلوطی است از چند عنصر خاکهای کمیاب. عناصر دیگری که از این نظر شبیه «ایتربیوم» هستند نیز نامشان داخل گیومه آمده است. بر این اساس، نمی‌توان سال 1878 را در تاریخ قطعی کشف «ایتربیوم» دانست.
این واقعیت که «ایتربیوم» مخلوطی از چند عنصر است، یک سال بعد توسط شیمیدان سوئدی، نیلسون (7)، قطعیت یافت. وی عنصر کشف شده را به افتخار سرزمین اسکاندیناوی، «اسکاندیوم» نامید.
بنابراین، اربیوم منهای «ایتربیوم»، منهای اسکاندیوم... آیا می‌شد، سرانجام، اربیوم را عاری از ناخالصی دانست؟ به هر حال در سال 1879، هموطن نیلسون، کلوه (8)، نشان داد که اربیوم منهای «ایتربیوم» و اسکاندیوم، هنوز مخلوطی از عناصر متعدد است. کلوه،‌ اربیوم را به سه ماده تقسیم کرد: خود اربیوم، «هولمیوم»، و تولیوم. «هولمیوم» از نام قدیمی استکهلم اقتباس شد و تولیوم به افتخار کشور افسانه‌ای توله (9)، در انتهای جهان، به این نام مشهور شد. و دست یافتن به تولیوم خالص به اندازه‌ی دسترسی به سرزمین تخیلی توله مشکل و پرمخاطره بود.
در سال 1879، شخصیت منفرد اربیوم، عاری از ناخالصیها و به دور از هرگونه شک و تردید آشکار گردید و این سال به عنوان تاریخ قطعی کشف این عنصر تثبیت شد. در این زمان، خلوص «تولیوم» تأیید شد ولی تولد «هولمیوم» واقعی هنوز نیازمند زمان بود. بدین ترتیب، درخت «ایتربیوم»، طی دو سال، صاحب انبوهی از شاخ و برگ تازه شد.
در تاریخچه‌ی عناصر، نقاط اوج تاریخی و روشنی وجود دارد. دو سال 1878 و 1879 نمونه‌هایی از این نقاط اوج در تاریخچه‌ی عناصر خاکهای کمیاب است. این دوره با یک واقعه‌ی مهم دیگر نیز مشخص و متمایز شده است. و آن کشف ذخایری از یک کانی جدید «سامارسکیت» (10) در امریکای شمالی است. جالب توجه است که نام این سنگ معدن ریشه‌ی روسی دارد. پیشتر، در دهه‌ی 1860، سنگ معدنی با ترکیبی کمپلکس و حاوی خاکهای کمیاب در اورال پیدا شده بود. این کانی به افتخار سامارسکی، مهندس معدن کاشف آن، سامارسکیت نامیده شد. بعدها ثابت شد که سنگ معدن استخراجی در امریکا نیز مشابه همین کانی بوده است.
اهمیت این واقعه را بسختی می‌توان ارزیابی کرد. کشف سامارسکیت باعث شد محدودیتی که از نظر دستیابی به ماده‌ی اولیه‌ی خاکهای کمیاب وجود داشت از میان برداشته شود. زیرا، پس از آن،‌ مقادیر کافی از این سنگ معدن در دسترس آزمایشگاههای شیمی قرار گرفت. شکی نیست که اگر پژوهشگران مقدار کافی از ماده‌ی مورد آزمایش خود را در اختیار داشته باشند، می‌توانند آزمایشات دقیقتری انجام دهند و به ارزیابی گسترده‌ی نتایج بپردازند. سامارسکیت به تولید کننده‌ی عناصر خاکهای کمیاب جدید مبدل شد.
سرانجام، در اواخر دهه‌ی 1870، دانشمندان با مطابقت روش طیف‌سنجی در تجزیه و تحلیل این کانی، از این روش به عنوان وسیله‌ی نیرومندی برای کشف عناصر خاکهای کمیاب جدید استفاده کردند، اگر چه هنوز نارساییهایی وجود داشت: خطوط طیف عناصر خاکهای کمیاب، مانند خواص شیمیایی آنها، شباهت زیادی به یکدیگر داشتند.

سرانجام «دیدیمیوم»، «ساماریوم»، نئودیم و پرازئودیم

سرگذشت «دیدیمیوم» یکی از جالبترین صفحات تاریخچه‌ی کشف عناصر خاکهای کمیاب را تشکیل می‌دهد. سرانجام، تشابه شیمیایی بی‌سابقه‌ی این عنصر با «لانتان» دانشمندان را متقاعد ساخت که شیمی عناصر خاکهای کمیاب شاخه‌ی کاملاً ویژه‌ای در شیمی معدنی است. مدتهای مدید هویت «دیدیمیوم» مورد پرسش واقع نمی‌شد. با ورق زدن نشریات علمی منتشر شده تا اواسط قرن گذشته، اظهارنظری حاکی از اینکه «دیدیمیوم» مخلوطی از چند عنصر باشد نمی‌یابیم.
مندلیف در جدول تناوبی خود برای این عنصر نشانه‌ی «Di» را در نظر گرفت و آن را به عنوان یک عنصر شیمیایی مستقل شناسایی کرد، اگر چه، به طور کلی این دانشمند بزرگ روسی نسبت به عناصر خاکهای کمیاب مشکوک بود (مثلاً مندلیف وجود تربیوم را به رسمیت نشناخت).
حکم محکومیت به مرگ «دیدیمیوم» با مطالعه‌ی سامارسکیت صادر شد. در اواخر سال 1878، طیف‌شناس فرانسوی، دلافونتن (11)، شروع به مطالعه‌ی دیدیمیوم استخراجی از این سنگ معدن کرد و دو خط جدید در طیف آن یافت. در آن زمان، یافتن خط جدید در طیف به وجود عنصری جدید تعبیر می‌شد، و دلافونتن نیز نتیجه گرفت که عنصر جدیدی یافته است.
به عقیده‌ی این دانشمند وجود عنصر ناشناخته در دیدیمیوم عامل به وجود آمدن خطوط جدید در طیف حاصل از آن گردیده بود. دلافونتن این عنصر جدید را «دسیپیوم» نامید. وی این نام را از کلمه‌ی لاتین به معنی «مبهوت کردن و فریب دادن» اقتباس کرد. نام مزبور اسمی با مسما از آب درآمد: این عنصر، به نوبه‌ی خود، مخلوطی از چند عنصر خاک کمیاب شناخته شد. دسیپیوم، در سال 1879، توسط بوابودران (12) مورد مطالعه‌ی دقیق قرار گرفت. این دانشمند فرانسوی سهم مهمی در شناخت عناصر خاکهای کمیاب داشته است. در فصل آینده برای شما شرح خواهیم داد که وی چگونه گالیوم را، که توسط مندلیف پیش‌بینی شده بود، کشف کرد. بوابودران «دیدیمیوم» را از سامارسکیت استخراج کرد و نمونه‌ی آن را به روش طیف‌سنجی مورد مطالعه قرار داد. این دانشمند در زمینه‌ی کار با روش طیف‌سنجی بسیار مجربتر از دلافونتن بود و موفق شد ناخالصیها را از «دیویمیوم» جدا سازد. بوابودران عنصر جدید را، با اقتباس از سنگ معدن سامارسکیت، «ساماریوم» نامید، بی‌خبر از آنکه «ساماریوم» نیز مخلوطی از چند عنصر است. کشف بوابودران بلافاصله مورد تأیید ماریناک قرار گرفت. این دانشمند نیز با تبلور متوالی ساماریوم دو جزء را در آن تشخیص داد و آنها را Yα و Yβ نامید (این نشانه‌ها با نشانه‌ی ایتریوم» (Y اشتباه گرفته نشود!). طیف جزء دوم مشابه طیف «ساماریوم» بود. در مورد جزء اول بعداً صحبت خواهیم کرد.
به هر حال، «دیدیمیوم» تقسیم‌ناپذیر به دو عنصر «دیدیمیوم» و «ساماریوم» تبدیل شد. به نظر شما، زمان آن نرسیده است که «دیدیمیوم» را به رسمیت بشناسیم؟ شاید، «دیدیمیوم» با آزاد کردن خود از قید «ساماریوم» بالاخره هویت خود را یافت.
در اینجا شخصیت جدیدی را معرفی می‌کنیم. این شخصیت، شیمیدان چک، براونر (13)، دوست صمیمی مندلیف و پیر و پرشور نظریه‌ی تناوبی است. براونر، در آغاز سال 1875، برای اثبات اینکه «دیدیمیوم» را با اکسید کردن می‌توان به حالت پنج ظرفیتی تبدیل کرد، این عنصر را دقیقاً مورد مطالعه قرار داد. اگر براونر به نتیجه می‌رسید، این امکان به وجود می‌آمد که «دیدیمیوم» در گروه پنج جدول تناوبی جای گیرد، زیرا در گروههای سه و چهار جایی برای آن یافت نمی‌شد. بر این اساس، مشکل جا دادن عناصر خاکهای کمیاب در جدول ساده‌تر می‌گردید.
طبیعتاً، براونر «دیدیمیوم» پنج ظرفیتی به دست نیاورد. امروزه می‌دانیم که لانتانیدها نمی‌توانند به این درجه از اکسیداسیون برسند. به هر حال، براونر، برای دست یافتن به جرم اتمی صحیح‌تر «دیدیمیوم»، تصمیم گرفت عنصر مزبور را حتی‌الامکان به طور خالص تهیه کند. وی کشف کرد که «دیدیمیوم» حاصل از ساماریوم می‌تواند به سه جزء، که تا حدی از نظر جرم مولکولی متفاوتند، تقسیم شود. براونر این آزمایش را در سال 1883 عملی ساخت اما به دلایلی از ادامه‌ی کار باز ماند. باعث بسی تأسف بود، زیرا او با پایان داستان «دیدیمیوم» پیر بسیار نزدیک شده بود.
افتخار کشف این عنصر به شیمیدان اتریشی، آوئر فون و لسباخ (14)، رسید که مطالعات زیادی درباره‌ی شیمی عناصر خاکهای کمیاب داشت. گرچه در آن موقع خاکهای کمیاب مورد استفاده‌ی عملی نداشتند، آوئر فون و لسباخ توجه بسیاری از مهندسان را به آنها جلب کرد. در آن زمان، مصرف گاز در امر روشنایی در تمام جهان رایج بود و دانشمند مزبور در سال 1884، توری روشنایی جدیدی اختراع کرد که به مخلوط مخصوصی محتوی نمکهای عناصر خاکهای کمیاب آغشته می‌شد. این کار بسرعت باعث افزایش روشنایی چراغ گردید و تا حد زیادی بر میزان عمر توریهای چراغ افزود. توری مزبور به توری آوئر مشهور شد. صنایع موجود خواستار صدها کیلوگرم از سنگ معدنهای خاکهای کمیاب شدند. افزایش تقاضا در مورد این مواد انگیزه‌ای شد برای جستجوی ذخایر جدید و در سال 1886 ذخایر غنی از شن مونازیت (15)، حاوی مقادیر زیادی عناصر خاکهای کمیاب، در برزیل کشف شد. این اکتشاف نیاز شیمیدانان را در مورد مواد حاوی خاکهای کمیاب جهت مطالعه برطرف ساخت.
در 8 ژوئن 1885، آوئر فون و لسباخ به آکادمی علوم وین چگونگی شکستن دیدیمیوم به دو جزء را گزارش کرد. وی یکی از آنها را پرازئودیم (مشتق از کلمه‌ی یونانی به معنی «جوزاسبز» به جهت رنگ سبز روشن نمکهایش) و دیگری را نئودیمیوم («جوزا جدید»)، نامید. نام دیدیمیوم قدیمی به فراموشی سپرده شد و از متون علمی حذف گردید و شجره‌ی خاک کمیاب سریوم به صورت زیر درآمد:

گادولینیوم و دیسپروزیوم

این دو عنصر تاریخچه‌ی عناصر خاکهای کمیاب را در قرن نوزدهم تکمیل می‌کنند. در مورد کشف گادولینیوم نقش اصلی را ماریناک ایفا کرده است.
قبلاً در مورد موفقیت ماریناک در تقسیم «ساماریوم» به دو جزء Yα و Yβ صحبت کردیم. در خصول جزء Yβ مشکلی وجود نداشت اما Yα مسئله‌ساز شده بود. ماریناک جسارت کافی برای اینکه این جزء را یک عنصر جدید بنامد نداشت. این کار در سال 1886، توسط بوابودران عملی شد. وی تصمیم گرفت عنصر جدید راگادولینیوم، به افتخار گادولین پیشگام شیمی عناصر خاکهای کمیاب، بنامد و از ماریناک خواست که پیشنهاد وی را تأیید کند. تأییدیه واصل شد اما این گذشت و فداکاری شگفت‌آور است. چه، ماریناک نه ادعایی بر سهیم بودن در کشف این عنصر داشت و نه خود را پیشگام این پژوهشها قلمداد کرد. به هر حال، ما معتقدیم که افتخار کشف گادولینیوم بایستی به هر دو شیمیدان تعلق یابد.
شکی نیست که دیسپروزیوم در سال 1886 صرفاً توسط بوابودران کشف گردید. این دانشمند برای تهیه‌ی «هولمیوم» کاملاً خالص، طیف آن را بدقت مورد مطالعه قرار داد و دو خط جدید، که حاکی از وجود عنصری ناشناخته بود. کشف کرد. وی پس از متبلور کردن پیاپی، ناخالصی را جدا ساخت و، به این ترتیب، دیسپروزیوم و هولمیوم کشف شدند. نام هولمیوم از ریشه یونانی به معنی «چیزی که تهیه‌اش مشکل است»، گرفته شده است. این نام نمادین مشخص کننده تاریخچه‌ی عناصر خاکهای کمیاب است.

دوران ابهام و اختلال در تاریخچه‌ی عناصر خاکهای کمیاب

اگر به فهرست امروزی عناصر خاکهای کمیاب نظر بیندازیم، خواهیم دید که تقریباً تمام آنها در سال 1886 کشف شده‌اند. تنها پرومتئوم ناشناخته بود (این مورد حالت کاملاً ویژه‌ای است) و اروپیوم و لوتسیوم نیز در قرن بیستم شناخته شدند. تقریباً اکثر عناصر خاکهای کمیاب کشف شده بودند اما کسی چه می‌دانست در نیمه‌ی دوم دهه‌ی 1880 وقایع چگونه پیش خواهد رفت؟ چه کسی می‌توانست با قاطعیت بیان کند که تقریباً گنجینه‌های طبیعی عناصر خاکهای کمیاب به اتمام رسیده‌اند؟
به عکس، بیشتر انتظار می‌رفت که اکتشافات شگفت‌انگیز و درخشان در مورد خاکهای کمیاب هنوز در پیش باشد، و چنین امیدی به آسانی خدشه‌پذیر نبود. برای عناصر خاکهای کمیاب در جدول تناوبی فضایی بین باریوم و تانتال اختصاص یافته بود. اختلاف بین جرم اتمی آنها 45 واحد بود. تعداد زیادی از عناصر خاکهای کمیاب، شناخته شده و شناخته نشده، در این فاصله جای گرفته بودند و هیچ کس نمی‌توانست تعداد آنها را پیش‌بینی کند. بیست، سی، یا چهل. هر تعدادی منطقی به نظر می‌رسید. این عدم قطعیت زمینه‌ساز کشف تعداد زیادی از عناصر خاکهای کمیاب گردید.
دانشمندان برجسته‌ای، که ارزش موفقیت واقعی را می‌دانستند، با شور و شوق فراوان به کاوش و تحقیق در مورد عناصر خاکهای کمیاب پرداختند و به نتایج جالب توجهی دست یافتند که پس از یک دوره‌ی کوتاه خودشان می‌بایست اقرار به اشتباه بودن آنها می‌کردند. کاشف اسکاندیوم، نیلسون و دستارش کروس (16)، با اطمینان کامل، در سال 1887، اعلام کردند که هولمیوم می‌تواند به چهار جزء و دیسپروزیوم به سه جزء تقسیم شود. در حقیقت به یکباره هفت عنصر خاک کمیاب متولد شدند. براونر، که در گزارشهایش دقت و وسواس داشت، یک ناخالصی در سریوم یافت که آن را متاسریوم نامید، و الی آخر.
دانشمندان به روش طیف‌سنجی اعتماد زیادی داشتند: بزودی یک خط جدید در طیف مشاهده شد، و بر این اساس، دانشمندان خبر از کشف عنصری جدید را دادند. تجزیه‌ی طیفی در آن زمان نسبتاً جوان بود و همیشه امکان تشخیص کامل اینکه یک خط جدید واقعاً مبین وجود عنصری جدید است یا ناشی از وجود یک ناخالصی از عنصری شناخته شده وجود نداشت. شاید همین دلیل کشفیات اشتباه‌آمیز عناصر خاکهای کمیاب بود. دلیل دیگر محدودیت روشهای جداسازی بود: تنها تبلور جزءبه‌جزء و راسب کردن جزء به ‌جزء شناخته شده و عملی بود. اولین روش مبتنی بر اختلاف قابلیت حل شدن عناصر خاکهای کمیاب و دومین روش مبتنی بر قدرت بازی آنها بود. چگونه می‌شد دریافت که محصول یک خاک کمیاب خالص است یا حاوی مقداری ناخالصی؟ هر از چندگاه، جرم مولکولی یک اکسید خاک کمیاب خالص بررسی و کنترل می‌شد. اگر این مقدار کم و بیش ثابت می‌ماند در حقیقت هدف به دست آمده بود. به هر حال، این روش فوق‌العاده وقت‌گیر و پر زحمت بود.
در دهه‌ی 1880 قانون تناوبی و جدول تناوبی مندلیف به شکل جامعی مورد قبول و تأیید قرار گرفت. از این پس، هر عنصر کشف شده می‌بایست مکانی را در جدول تناوبی اشغال می‌کرد. تقریباً برای تمام عناصر خاکهای کمیاب جایی در جدول تناوبی یافت نمی‌شد، اما این به دلیل نبودن جای خالی در جدول نبود: مکانهای خالی زیادی بین باریوم و تانتال وجود داشت اما این مکانهای خالی با خواص عناصر خاکهای کمیاب تطابق نداشتند. اگر این عناصر در میان گروههای مختلف جای گرفته بودند، بدان معنا بود که عناصر غریبه در تمام گروهها ظاهر می‌شدند (بجز گروه 3 و 4). به همین دلیل بود که براونر با جدیت تمام کوشش می‌کرد ثابت کند که دیدیمیوم پنج ظرفیتی است. چون این عناصر با جدول تناوبی ناسازگار بودند اشتباههای زیادی ممکن بود رخ دهد. برای اولین بار در تاریخ عناصر شیمیایی حدس زده شد که عناصر خاکهای کمیاب عنصر کامل شیمیایی نیستند بلکه گونه‌هایی از عناصرند که دارای تشابه بی‌سابقه‌ای در خواص هستند.
این اعتقاد متعلق به دانشمند انگلیسی، کروکس بود که کاشف تانتال محسوب می‌شود. وی عناصر خاکهای کمیاب را گونه‌هایی از عناصر می‌دانست و آنها را عناصر متا نامید. کروکس این نتیجه را از تحقیقات طیف‌سنجی به دست آورد اما تجزیه‌های طیفی در این حالت با کار دانشمند فرانسوی، لکوک دو بوابودران، مطابقت نداشت، زیرا این دانشمند اشتباه بدن نتیجه‌گیری کروکس را ثابت کرد.
این پایان و سرانجام فرضیه‌ی عناصر متا بود. به هر حال، حتی تخیلی‌ترین نظریه‌ها نیز دربردارنده‌ی رگه‌هایی از حقیقت است. کروکس، با این باور که عناصر معمولی مخلوطی از عناصر متا هستند، فرض کرد که هر عنصر دارای اتمهای مختلف است. وی حتی پیشنهاد کرد به جای اصطلاح «عنصر» از اصطلاح «یک گروه عنصری» استفاده شود.
این فرض کروکس را می‌توان با اعتقادات بعدی، که عناصر شیمیایی را در واقع مخلوطی از ایزوتوپها فرض می‌کرد، مقایسه کرد. بنابراین، کروکس با دقتی خارق‌العاده ویژگی ایزوتوپی عناصر را پیش‌بینی کرد.
ما اواخر قرن نوزدهم را «دوران ابهام و اختلال» در تاریخچه‌ی عناصر خاکهای کمیاب نامیدیم. به هر حال، دانشمندان قدم به قدم به واقعیت نزدیک شدند. بعضی از این دانشمندان تعداد کم و بیش دقیق عناصر خاکهای کمیاب را تخمین زدند. تامسن، فیزیکدان دانمارکی، به واقعیت بسیار نزدیک شده بود. وی برای تعداد عناصر خاکهای کمیاب عدد 15 را پیشنهاد کرد. این دانشمند همان کسی است که نظم نردبانی را در جدول تناوبی پیشنهاد کرد که هنوز مورد استفاده قرار می‌گیرد. براونر عقیده داشت که باید تمام عناصر خاکهای کمیاب را در یک گروه قرار داد و این نظریه امروزه نیز قابل قبول است.
نمونه‌ی فلزی لانتان، سریوم، و نئودیمیوم در نمایشگاه جهانی پاریس، در سال 1900، به عنوان بزرگترین دستاورد علم و تکنولوژی به نمایش درآمد.

ایتربیوم و لوتسیوم

اوربن، که نامش ذکر شد، سهم قابل ملاحظه‌ای در پیشرفت شیمی عناصر خاکهای کمیاب داشت. وی با تکمیل روشهای جدا کردن این عناصر، چند اکسید از آنها را به حالتی بسیار خالص (برای تهیه‌ی تولیوم خالص 15000 بار عمل تبلور را انجام داد) به دست آورد و جرم اتمی آنها را نیز محاسبه کرد ولی خودش موفق به کشف عنصر جدیدی نشد. در سال 1907، تا حدی بخت به سراغ این دانشمند آمد. اوربن ثابت کرد که ایتربیوم قدیمی مایناک مخلوطی از دو عنصر است. وی نام ایتربیوم را برای یکی از آنها حفظ کرد و، بر این اساس، تاریخ واقعی تولد ایتربیوم سال 1907 است. اوربن عنصر دیگر رالوتسیوم (به افتخار نام قدیمی پاریس – لوتسیا) نامید.
بعدها معلوم شد همان زمان که اوربن مشغول کار با ایتربیوم بوده، فون و لسباخ (که ابهامات موجود در مورد دیدیمیوم را رفع کرد) نیز به عملیاتی مشابه با اوربن اشتغال داشته است. این شیمیدان اتریشی با تجزیه‌ی ایتربیوم این نام را به فراموشی سپرد و اجزای آن را «آلدبارانیوم» و «کاسیوپیوم» (برگرفته از اصطلاحات نجومی) نامید.
به هر حال، ماهها پیش مقاله‌ی اوربن منتشر شده بود و وی به عنوان کاشف لوتسیوم شناخته می‌شد اگرچه در متون علمی آلمانی نام «کاسیوپیوم» و نشانه‌ی آن (CP) مورد استفاده قرار می‌گرفت. بسیاری از دانشمندان اعتقاد داشتند که نتایج کار و لسباخ معتبرتر است. این دومین بار در تاریخ عناصر خاکهای کمیاب، پس از سریوم، بود که دو دانشمند از دو کشور مختلف ادعای تقدم در کشف یک عنصر جدید را داشتند. به هر حال، کاملاً منطقی است نام سومی به این دو نفر افزوده شود. این دانشمند سوم، شیمیدان امریکایی جیمز (17) است. وی مستقلاً ثابت کرد که «ایتربیوم» مخلوطی از چند عنصر است اما تنها پس از پذیرش و شناسایی کارهای اوربن و ولسباخ از جانب جامعه‌ی علمی امریکا اقدام به توصیف و تبیین آزمایشهایش کرد.
به نظر می‌آمد که لوتسیوم آخرین عنصر طبیعی خاکهای کمیاب باشد و این عنصر پایان‌بخش سری خاکهای کمیاب بود. با وجود این، اوربن اعتقادی دیگر داشت. وی، در سال 1911، خبر از کشف عنصر جدید سلتیوم داد و آن را در جدول تناوبی، پس از لوتسیوم، جای داد. بعدها روشن شد که کشف سلتیوم در واقع یک اشتباه تجربی بوده است. اوربن طیف این عنصر را اشتباه ارزیابی کرده بود: خطوط جدید، در واقع، مربوط به عناصر شناخته شده بود.

درسهایی از تاریخچه‌ی عناصر خاکهای کمیاب

تاریخچه‌ی عناصر خاکهای کمیاب حاوی نکات آموزنده‌ی فراوان است. این تاریخچه توسط دهها شیمیدان فداکار و سختکوش از چند نسل به ثبت رسیده است و در این قلمرو جایی برای آنان که در پی شهرت کاذب و زودرس بودند یافت نمی‌شود. تکرار خسته کننده و بی‌پایان روشهای جداسازی در مورد عناصر جفت و ممزوج نیاز به صبر و شکیبایی بی‌اندازه داشت.
تاریخچه‌ی عناصر خاکهای کمیاب فرایند جامعی است که نمی‌توان حتی یک پدیده و اتفاق آن را نادیده گرفت. کشف یک عنصر زمینه‌ساز کشف عنصری دیگر بود. حتی خطاهای بیشمار در این مسیر طولانی برای کل فرایند یاد شده مفید بود به طوری که دانشمندان روشهای تحقیقاتی خود را تکمیل می‌کردند و نتایج خود و شاگردان و همکاران خود را مورد بررسی و بازنگری قرار می‌دادند: در هیچ مورد دیگری، جز تاریخچه‌ی عناصر خاکهای کمیاب، کشف مجدد عنصری جدید تا این حد با ارزش نبوده است. واقعیت بتدریج از میان دریایی اشتباه و خطا متجلی می‌شد.
قلمرو خاکهای کمیاب با کشف سنگ معدنی جدید از این عناصر منقلب شد. ما تا حدی راجع به اهمیت فراوان کشف ذخایر سامارسکیت و مونازیت، که تأمین کننده‌ی نیاز بسیاری از دانشمندان بود، سخن گفتیم. اینچنین وابستگی به موادی که در حوزه‌ی تحقیقات عناصر خاکهای کمیاب وجود داشته است در مورد عناصر دیگر مشاهده نمی‌شود. و بالاخره، هیچ موضوعی به اندازه‌ی جایگزین کردن عناصر خاکهای کمیاب در روند تکامل جدول تناوبی مشکل به وجود نیاورده است. کسی نمی‌دانست این عناصر به چه تعداد است و چرا خواص آنها چنین شبیه به هم است: این تشابه تنها در سال 1921، زمانی که دانشمند دانمارکی، بور (18)، نظریه‌اش را در مورد جدول تناوبی تکمیل و عرضه داشت تبیین گردید. این فیزیکدان موفق به یافتن راه حل مسئله‌ای شد که شیمیدانان را مدتها به خود مشغول کرده بود. اما در عصر ما نیز بحث و جدل در مورد بهترین راه برای جایگزین کردن عناصر خاکهای کمیاب در جدول تناوبی ادامه دارد.

پی‌نوشت‌:

1. Urbain.
2. Johann Gadolin.
3. Abo.
4. Ytterbite.
5. Ceres.
6. Mosander.
7. Nilson.
8. Cleve.
9. Thule.
10. Samarskite.
11. Delafontaine.
12. Boisbaudran.
13. Brauner.
14. Auer Von Welsbach.
15. Monazite، یکی از مهمترین کانیهای توریوم است. در آن فلزات کمیابی از قبیل سریوم و لانتان وجود دارد. در دستگاه کج لوزی متبلور می‌شود. سنگینی ویژه‌ی آن 4/9 تا 5/9، و سختی آن 5 است. – م.
16. Krüss.
17. James.
18. Bohr.

منبع مقاله :
تریفونوف، دیمیتری نیکولایویچ؛ تریفونوف، ولادیمیر؛ (1390)، تاریخچه‌ی کشف عناصر شیمیایی، برگردان: عبدالله زرافشان، تهران: شرکت انتشارات علمی و فرهنگی، چاپ چهارم