تاریخ کشف سه گاز کمیاب

کریپتون، نئون، و گزنون

در پایان سده‌ی 19 در تاریخچه‌ی گازهای کمیاب وقفه‌ای رخ داد. برای این سکون و آرامش دلایل زیادی وجود داشت. یکی از این دلایل عدم دسترسی دانشمندان به مقادیر زیاد آرگون و هلیوم بود. برای به دست آوردن آنها باید، به طرق شیمیایی، اکسیژن، نیتروژن، ئیدروژن، و دی اکسید کربن از هوا خارج می‌شد. کل گازهای بی‌اثر قسمت ناچیزی از آتمسفر زمین را تشکیل می‌دهد و یافتن رد و اثرات آنها با توجه به زمینه‌ای که از آرگون و هلیوم در دست بود، مسئله‌ای بسیار مشکل محسوب می‌شد. دلیل دیگر، عدم فعالیت شیمیایی آرگون و هلیوم بود. قویترین معرفها، مانند فلوئور هم قادر به واکنش نبودند. شیمیدانان روشی برای مطالعه‌ی گازهای بی‌اثر در اختیار نداشتند و تنها روشهای فیزیکی می‌توانست نتیجه‌بخش باشد. به هر حال، روشهای فیزیکی بهتری مورد نیاز بود و این روشها طی وقفه‌ای که روی داده بود توسعه و تکامل یافتند. دانشمندان تکنیکهای تجربی برای تجزیه‌ی مقادیر کم گازها را تکامل بخشیدند و اسپکتروسکوپها و دستگاههای دیگر را برای سنجش چگالی آنها اصلاح و تکمیل کردند. سرانجام، واقعه‌ای رخ داد که در تاریخ گازهای بی‌اثر حائز اهمیت فراوان است. دو مهندس، یکی آلمانی به نام لیند (1)، و دیگری انگلیسی موسوم به همپسن (2)، فرایند مفید و مؤثری برای مایع کردن گازها ابداع کردند. همپسن دستگاهی ساخت که می‌توانست در هر ساعت یک لیتر هوای مایع تولید کند. این موفقیت موجب تحریک حس خلاقیت دانشمندان گردید. در اوایل سال 1898، دستیار رمزی، ترورز (3)، شروع به طرح دستگاه سرد کننده‌ای برای تهیه‌ی مقادیر معتنابهی آرگون مایع کرد. به دلیل اینکه گازهای موجود در آتمسفر در درجه حرارتهای مختلفی به حالت مایع در می‌آیند، می‌توان آنها را از یکدیگر جدا کرد.
کشف هلیوم و آرگون علاوه بر اینکه شمیدانان را به تفکر در مورد بی‌اثری شیمیایی (این پدیده یک ربع قرن بعد تفهیم شد) واداشت، انگیزه‌ای شد تا دانشمندان به پژوهش در مورد قانون تناوبی و جدول تناوبی، که در معرض تهدید جدی قرار داشت، بپردازند. سه ویژگی مهم آرگون و هلیوم (جرم اتمی، ظرفیت صفر، مولکول تک اتمی) باعث شده بود که این دو گاز در جدول تناوبی نگنجند. همین امر دلیل اساسی گرایش مندلیف به بررسی در مورد N3 بود.
تاریخ، قدرت پیش‌بینی فوق‌العاده‌ای از خود نشان می‌دهد. وقتی رمزی، در 24 مه 1894، نامه‌ای به ریلی نوشت و از وی پرسید آیا هرگز به ذهنش خطور کرده است که در جدول تناوبی برای عناصر گازی نیز مکانی وجود دارد، هنوز آرگون به طور کامل و قاطع کشف نشده بود. ترتیب پیشنهادی رمزی به صورت زیر بود:

رمزی فرض کرد که تناوب کوتاه سیستم می‌تواند در بردارنده‌ی سه عنصر مشابه با آهن و فلزات پلاتینی در تناوبهای بلند باشد. کشف آرگون و هلیوم منجر به بروز این نظریه شد که، این گازها می‌توانند دو مکان خالی X از نمودار رمزی را اشغال کنند. به هر حال، اختلاف جرمهای اتمی این عناصر (به ترتیب 4 و 40) آنچنان زیاد بود که نمی‌توانستند در یک تناوب جای گیرند. رفته رفته ایده‌های مربوط به جایگزین کردن عناصر سه‌گانه‌ی مزبور به فراموشی سپرده شد و پس از چندی رمزی پیشنهاد کرد گازهای بی‌اثر در انتهای هر تناوب قرار داده شوند. در این حالت می‌شد انتظار داشت عنصر دیگری با جرم اتمی 20، که حد فاصل بین هلیوم و آرگون بود، کشف شود. گزارش رمزی به جلسه‌ی مجتمع بریتانیایی برگزار شده در تورنتو، در اوت 1897، دقیقاً اختصاص به این عنصر داشت. عنوان گزارش عبارت بود از «گاز کشف نشده». رمزی درصدد تشریح خواص جالب این گاز برآمد ولی فکر کرد عاقلانه نیست که مهمترین مسئله در مورد این عنصر ذکر نشود: این گاز هنوز کشف نشده بود.

در اینجا مجدداً به همان قاطعیتی برمی‌خوریم که در نامه‌ی رمزی به همسرش، پیش از کشف آرگون، وجود داشت. اما در این مورد دیگر از جسارتی رؤیایی و تخیلی خبری نبود بلکه قاطعیت رمزی از آزمایشهای پی‌درپی ناشی می‌شد. بعدها معلوم شد که گاز کشف نشده نئون است. سرنوشت چنین می‌خواست (چیزی که اغلب در علم پیش می‌آید) که کشف گاز مزبور در اثر واقعه‌ای دیگر پیش بیفتد. واضح است که گاز جدید می‌توانست از طریق تغلیظ و تبخیر تدریجی هوای مایع و با تجزیه‌ی اجزای حاصل کشف شود. در این مورد، عناصر سبکتر از آرگون جذابیت ویژه‌ای داشتند. در 24 مه 1898، یک بالن دیوئر هوای مایع به دست رمزی و ترورز رسید. بدبختانه (یا شاید خوشبختانه) مقدار هوای مزبور برای جستجوی گازهای سبکتر از آرگون کافی نبود و، به این دلیل، دو دانشمند تصمیم گرفتند از روش تقطیر جز به ‌جزء هوا استفاده کنند. رمزی و ترورز با انجام این آزمایش در پایان روز دریافتند که جزء باقیمانده سنگینترین جزء است.
برای یک هفته جزء باقیمانده دست نخورده ماند تا اینکه در 31 مه رمزی تصمیم گرفت آن را مورد تحقیق و مطالعه قرار دهد. آنان گاز مزبور را از ناخالصیهای ممکن نیتروژن و اکسیژن جدا ساختند و تحت تجزیه‌ی طیف‌سنجی قرار دادند. رمزی و ترورز از مشاهده‌ی خط زرد روشن، که نمی‌توانست متعلق به هلیوم یا سودیوم باشد، متعجب شدند. رمزی در دفتر یادداشت روزانه‌اش نوشت: «31 مه، یک گاز جدید. کریپتون.» به خاطر بیاورید که این نام قبلاً به هلیوم کشت نشده اطلاق شده بود. سرانجام نام مزبور در تاریخ گازهای بی‌اثر مکان خود را یافت به هر حال، کریپتون گازی نبود که رمزی قبلاً در مورد آن گزارشی تهیه کرده بود چگالی و جرم اتمی کریپتون بیشتر از انواع پیش‌بینی شده بود.
بلافاصله پس از این وقایع، نئون کشف گردید. رمزی و ترورز، با برگزیدن اجزای سبک حاصل از تقطیر هوا، گاز بی‌اثر جدیدی در یکی از آنها کشف کردند. پس از آن، رمزی به خاطر آورد که نام «نئون» (از کلمه‌ی یونانی نئوس به معنی «جدید») توسط پسر دوازده ساله‌اش پیشنهاد شده بود. این آزمایش به تنهایی توسط ترورز انجام پذیرفت، چرا که در آن هنگام رمزی در محل دیگری به سر می‌برد. هفتم ژوئن بود. به هر حال یک هفته زمان لازم بود تا نتایج مورد تأیید قرار گیرد. این کار با تهیه‌ی مقدار بیشتری نئون و تعیین چگالی آن امکان‌پذیر بود. همان طور که انتظار می‌رفت، نئون به عنوان عنصر حد فاصل بین هلیوم و آرگون شناخته شد، اگرچه هنوز به صورت یک گاز خالص تهیه نشده بود. مشکل تهیه و جدا کردن کامل نئون و آرگون بعدها حل شد.
هنوز گاز بی‌اثر دیگری وجود داشت که توسط رمزی و ترورز کشف شود. به هر حال، در این مورد دو دانشمند از قاطعیت و اطمینانی که در مورد نئون داشتند، برخوردار نبودند. در یکی از روزهای ژوئیه‌ی 1898، دو همکار یاد شده به تقطیر هوای مایع اشتغال داشتند و آن را به اجزای گوناگونی تجزیه کردند. تا نیمه‌های شب، پنجاه جزء را، که آخرین آنها کریپتون بود، جمع‌آوری کردند (شماره‌ی 56). پس از آن، با حرارت دادن دستگاه، یک جزء دیگر نیز (شماره‌ی 57)، که مشخصاً حاوی اثراتی از دی اکسید کربن بود، جمع‌آوری گردید. رمزی و ترورز به بحث در مورد لزوم مطالعه‌ی آن پرداختند و سرانجام تصمیم گرفتند آزمایش را شروع کنند. صبح روز بعد، دو دانشمند طیف جزء شماره‌ی 57 را، که بسیار غیرعادی می‌نمود، مورد ملاحظه و پژوهش قرار دادند. رمزی و ترورز نتیجه گرفتند که این طیف ناشناخته می‌تواند مربوط به گاز جدیدی باشد. به هر حال، گزنون خالص در اواسط سال 1900 تهیه شد. نام «گزنون» از کلمه‌ی یونانی کسنوس به معنی «عجیب» مشتق شده است.

پی‌نوشت‌:

1. Linde.
2. Hampson.
3. Travers.

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