تاریخ کشف هافنیوم

انستیتو فیزیک نظری دانشگاه کپنهاگ دانمارک، محل تولد عنصر جدیدی با عدد اتمی 72 بود. تاریخ تولد، آخر دسامبر 1922 بود، گرچه خبر کشف عنصر مزبور در نشریه علمی در ژانویه‌ی 1923 به چاپ رسید. طیف‌شناس هلندی، کوستر (1) و پرتو شیمیدان مجاری، هوشی (2)، عنصر جدید را به افتخار نام قدیمی کپهناگ، «هافنیا» نامیدند. بور، که نقش قابل توجهی در کشف هافنیوم داشت، کنار گهواره‌ی نوزاد متولد شده ایستاد.
منبع طبیعی عنصر شماره‌ی 72 زیر کون بود؛ یک کانی معمولی که عمدتاً حاوی اکسید زیر کونیوم است. و این بور بود که سنگ معدن مزبور را، به عنوان موضوع تحقیق، پیشنهاد کرد.
چرا فیزیکدان هلندی تا این حد به موفقیت اطمینان داشت؟ بیایید به دهه‌ی هفتم قرن نوزدهم، زمانی که مندلیف درصدد تدوین جدول تناوبی بود، برگردیم. وی در خانه‌ی زیر زیر کونیوم در جدول تناوبی را برای عنصر ناشناخته‌ای با جرم اتمی حدود 180 در نظر گرفته بود. با توجه به فرهنگ نامگذاری مندلیف، این عنصر می‌بایست اکا- زیرکونیوم نامیده می‌شد. پس از اینکه پیش‌بینیهای مندلیف در مورد گالیوم، اسکاندیوم، و ژرمانیوم تحقق پذیرفت، اطمینان در مورد موجودیت اکا- زیرکونیوم افزایش یافت. به هر حال، پرسش در مورد خواص این عنصر فرضی به قوت خود باقی ماند. مندلیف از ارزیابی و پی‌جویی بیشتر خودداری کرد. به طور کلی، دو امکان وجود داشت: یا اکا- زیرکونیوم متعلق به زیر گروه IV-B جدول تناوبی، همخانواده با زیرکونیوم بود، یا به خانواده‌ی خاکهای کمیاب، به عنوان سنگینترین عنصر از این دسته، تعلق داشت. حال زمان آن رسیده است که نام «سلتیوم» را دوباره به خاطر بیاوریم.
با شکسته شدن ایتربیوم و جدا شدن لوتیوم، یعنی آخرین عنصر از خاکهای کمیاب موجود در طبیعت، اوربن به تلاش سخت و جدی خود برای به دست آوردن خاکهای کمیاب سنگین ادامه داد. سرانجام، وی موفق به جمع‌آوری جزئی شد که طیف نوری آن حاوی خطوط جدیدی بود. این واقعه در سال 1911 اتفاق افتاد اما در آن زمان توجه مجامع علمی را به خود جلب نکرد. شاید اوربن خود، با وجود پیشنهاد نام برای آن جزء، کاملاً مطمئن نبود که واقعاً عنصر جدیدی را کشف کرده است. به هر صورت، وی فکر کرد که فرستاد نمونه‌های سلتیوم به آکسفورد، که موزلی در آنجا کار می‌کرد، عاقلانه باشد. موزلی نمونه‌های مزبور را به وسیله‌ی طیف‌سنجی اشعه‌ی ایکس مورد مطالعه قرار داد ولی عکسهای اشعه‌ی ایکس از کیفیت مناسبی برخوردار نبودند. با وجود این، موزلی در اوت 1914 بیانیه‌ای منتشر کرد که در آن به طور قاطع اظهار داشته بود سلتیوم مخلوطی از خاکهای کمیاب شناخته شده است. عملاً توجهی به این اظهارنظر نشد. در یک کلام، کشف سلتیوم مدتها واقعه‌ای مشکوک تلقی می‌شد اگرچه گاهی اوقات نشانه‌ی Ct در نشریات علمی به چشم می‌خورد.

در این ضمن، بور مشغول کار روی نظریه‌ی لایه‌های الکترونی در اتم بود که بعداً شالوده‌ی نظریه‌ی سیستم تناوبی شد. و عاقبت نظریه‌ی لایه‌های الکترونی بود که تغییرات تناوبی در خواص شیمیایی عناصر را توجیه و تأیید کرد. بور مسئله‌ای را نیز که سالها توجه شیمیدانان بدان جلب شده بود حل کرد. وی تعداد دقیق عناصر خاکهای کمیاب را پیدا کرد. باید پانزده عدد از آنها در فاصله‌ی بین لانتان تا لوتسیوم وجود می‌داشت. تنها یک عنصر خاک کمیاب بین نئودیم و ساماریوم (که بعدها پرومتئوم نامیده شد) ناشناخته باقی ماند. بور، براساس قوانینی که یافته بود و این قوانین بر تشکیل لایه‌های الکترونی اتم با افزایش عدد اتمی حاکم بود، به این نتیجه رسید.

بنابراین، اگر هم سلتیوم یک عنصر خاک کمیاب بود، نظریه‌ی بور آن را کاملاً نادیده گرفته بود. چرا این عنصر نمی‌توانست اکا- زیرکونیوم باشد؟ بور، با اثبات اینکه سری عناصر خاکهای کمیاب با لوتسیوم تکمیل می‌شود، با اطمینان کامل، نتیجه گرفت که عنصر شماره 72 باید همخانواده‌ی زیرکونیوم باشد و نه هیچ چیز دیگر. بور به کوستر و هوشی توصیه کرد به دنبال عنصر گمشده در سنگ معدنهای زیرکونیوم بگردند. امروزه تمام این مسائل به نظر ما کاملاً روشن و منطقی می‌آید اما در آن زمان بسیاری از مسائل نامعلوم و زیر سؤال بود: اگر امکان اثبات اینکه عنصر شماره 72 عنصری کامل از خانواده‌ی زیرکونیوم است وجود نداشت، کل نظریه‌ی جدول تناوبی بور به زیر سؤال می‌رفت. کوستر و هوشی با جدا کردن هافنیوم از زیرکونیوم این نظریه را به طور تجربی تثبیت کردند، همان‌طور که از 50 سال پیش کشف گالیوم تأییدی شده بود بر جدول تناوبی مندلیف.
هنگامی که اوربن بیانیه‌ی مربوط به کشف هافنیوم را خواند، دریافت که عمر سلتیوم به پایان رسیده است. هیچ کس نمی‌تواند تلخی شکست را به آسانی بپذیرد. اوربن دست از سلتیوم نکشید و به کوششهایش برای منطق کردن این عنصر با عنصر شماره 72 ادامه داد. طیف‌شناس فرانسوی، دوویلیه (3)، به کمک اوربن آمد. وی کوشد اصالت طیف سلتیوم را ثابت کند و، بر طبق این اثبات و استدلال، آن را به عنوان یکی از خاکهای کمیاب بقبولاند.
علاوه بر این، اوربن و دوویلیه اعلام کردند که کوستر و هوشی تنها کشف مجدد سلتیوم را عملی کرده اند اما چیزی از این بابت عایدشان نشد، زیرا بزودی هافنیوم هویت خود را به دست آورد. این عنصر به طور خالص تهیه شد و تحقیقات طیف‌سنجی مجدد نشان داد که هیچ وجه تشابهی بین هافنیوم و سلتیوم وجود ندارد. گردونه‌ی تاریخ اینچنین می‌چرخد! اوربن برای اینکه کاشف هافنیوم باشد همه چیز را در اختیار داشت. در اوایل سال 1922، وی و همکارش، بولانژه (4)، مأیوسانه سنگ معدن بسیار کمیابی از ماداگاسکار، به نام تورتویتیت (5)، را تجزیه کردند. کانی مزبور حاوی 8 درصد اکسید زیرکونیوم و درصد بیشتری اکسید هافنیوم بود. این تنها حالتی است که مقدار هافنیوم در سنگ معدنی بیشتر از زیرکونیوم است و، با وجود این، اوربن و بولانژه نتوانستند پرده از روی عنصر شماره‌ی 72 بردارند. علت این عدم موفقیت به تشابه شیمیایی فوق‌العاده‌ی زیرکونیوم و هافنیوم بر می‌گردد.

پی‌نوشت‌:

1. Coster.
2. Hevesy.
3. Dauvillier.
4. Boulange.
5.Thortveitite .

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