مقدمه
اگر کشف یک عنصر جدید، نقطه اوج فعالیت‌های علمی یک دانشمند باشد، ویلیام رامسی۱ موقعیت خیره‌کننده‌ای در این زمینه داشته است. او نه‌تنها موفق به کشف چهار گاز نجیب شد، ایده قرار دادن آن‌ها را در یک گروه جداگانه، در جدول دورهای عنصرها مطرح کرد؛ همان گروهی که تا آن زمان از قلم افتاده بود، شکل ۱. با این حال، رامسی نخستین فردی نبود که به وجود این گازها پی برد. هنری کاوندیش۲ در آغاز قرن هجدهم متوجه شد که پس از جدا شدن اکسیژن و نیتروژن از یک نمونه هوا، حدود ۱/۱۲۰ از حجم نمونه، بدون انجام واکنش در ظرف باقی می‌ماند. تلاش‌های کاوندیش در تشخیص ماهیت مواد به‌جای‌مانده، به نتیجه‌ای نرسید و حتی تا یک قرن پس از آن، همچنان در ابهام باقی ماند. سرانجام در سال ۱۸۹۵، در پی بازنگری یافته‌های دانشمندان قبلی و تکرار آزمایش‌های کاوندیش، آرگون پیش از اعضای دیگر خانواده گازهای نجیب کشف شد و تا پنج سال پس از آن، بقیه اعضای این گروه نیز شناسایی شدند و این در حالی بود که رامسی در جریان کشف همه آن‌ها حضور داشت. پایین‌ترین عنصر این گروه که در طبیعت بهطور طبیعی وجود دارد یعنی رادون، آخرین عنصری بود که در پایان این دوره پنج‌ساله، به گروه پیوست.
شکل ۱. ویلیام رامسی، کاشف چهار گاز نجیب
سرگذشت کشف نجیبان بی‌خانمان!
فعالیت‌های رامسی در زمینه کشف گازهای نجیب، از سال ۱۸۹۴ و در پی همکاری او با لرد رایلی۳ آغاز شد. هنگامی که ویلیام استرات۴ اعلام کرد نیتروژن به‌دست‌آمده از هوا، حدود ۰/۵ درصد از نیتروژن موجود در ترکیب‌ها سبک‌تر است، رامسی و رایلی به وجود گازی ناشناخته مشکوک شدند که احتمالاً نیتروژن را در ترکیب‌هایش همراهی می‌کرد. آن‌ها روش کاوندیش را در حذف اکسیژن و نیتروژن بررسی کردند که در آن، از تخلیه الکتریکی برای اکسایش نیتروژن و تبدیل آن به NO۲ استفاده شده بود تا سپس به کمک محلول سدیم هیدروکسید جذب، و از نمونه، خارج شود، شکل ۲. جدا کردن گاز اکسیژن نیز شامل استفاده از یک جاذب بود. [۱]
شکل ۲. نمای دستگاهی که رامسی و رایلی برای خالص‌سازی آرگون به کار بردند.
هوا در لوله A، بالای حجم زیادی از یک باز ضعیف فشرده می‌شود.
جرقه الکتریکی از راه لوله U شکل از میان باز می‌گذرد و به دهانه لوله A هدایت می‌شود.
در نتیجه نیتروژن موجود در نمونه هوا، اکسید و بهصورت نیتروژن اکسید توسط باز جذب می‌شود و آرگون به تنهایی در لوله باقی می‌ماند.
رامسی و رایلی تصمیم گرفتند کار کاوندیش را به روشی دیگر تکرار کنند. برای جدا کردن اکسیژن، از واکنش با مس بهره گرفتند و نیتروژن را در نتیجه واکنش با منیزیم جدا کردند. آنچه از نمونه باقی مانده بود مورد بررسی دقیق قرار گرفت و به معرفی گازی جدید انجامید. رامسی برای آن، نام آرگون را برگزید که از واژه‌‌ای یونانی به معنی خنثی و بی‌اثر۵ ریشه می‌گرفت. [۲]
قدیمی‌ترین گاز نجیب شناخته‌شده
با اینکه هلیم، به‌عنوان عضوی دیگر از گروه گازهای نجیب، پس از آرگون کشف شد، در جورچین مربوط به شناسایی آن، قطعه‌ای قدیمی وجود دارد که به یافته پیرجانسن۶ در سال ۱۸۶۸ اشاره می‌کند:
کشف یک خط زرد درخشان در طیف خورشید، با طول موج حدود ۵۸۷nm. بنابراین هلیم به‌عنوان عنصری که در خورشید وجود دارد در این زمان شناخته شد.
در فوریه سال ۱۸۹۵، یک سال پس از کشف آرگون، هنری‌می‌یرز۷ توجه رامسی را به ویژگی غیرعادی یک ماده معدنی به نام «کلویت»۸، حاوی اورانیم دی‌اکسید جلب کرد، شکل ۳. ویلیام هیلبراند۹ متوجه شده بود گرم کردن کلویت در سولفوریک اسید، آزاد شدن گازی واکنش‌‌ناپذیر را در پی دارد که به نظر می‌رسد نیتروژن باشد. البته پیش از این، ویلیام فرانسیس۱۰ نیز به تشکیل گاز در نتیجه حل شدن مواد معدنی اورانیم‌دار در اسید پی برده بود. [۱]
شکل ۳. کلویت از انواع سنگ معدن
اورانینیت، نخستین منبع هلیم بود که روی زمین شناخته شد.
در نتیجه تلاشی
اورانیم، هلیم در این سنگ معدن تولید می‌شود و در آن باقی می‌ماند.
رامسی با توجه به این یافته‌ها نمونه‌ای از گاز هیلبراند تهیه کرد و دو روز به جدا کردن گازهای شناخته‌شده از نمونه، مشغول بود. هنگامی که همه گازها به جز آرگون جدا شدند، مشاهده کرد طیف گاز موجود در نمونه، با طیف آرگون متفاوت است ولی در عوض، خط طیفی زرد‌رنگی را در بر دارد که نخستین بار توسط جانسن، در طیف خورشید مشاهده شد. رامسی نتیجه گرفت که این گاز، همان هلیم است و به این ترتیب وجود هلیم در زمین به اثبات رسید. این کشف در سال ۱۸۹۵ به انجمن شیمی لندن گزارش شد. [۲]
شکل ۴. فردریک ارنست دورن در جریان بررسی واکنش‌های زنجیره‌ای مربوط به تلاشی رادیم، رادون را کشف کرد.
ثبت کشف‌های هم‌زمان و غافلگیرانه
یکه‌تازی در عرصه کشف گازهای نجیب تا سال ۱۸۹۸، همچنان رامسی را همراهی می‌کرد. وی با همکاری موریس تراورس۱۱ نمونه‌ای از هوا را تا تبدیل آن به مایع، سرد کرد.
پس از آن، مایع به‌دست‌آمده را جوشاند و نئون، کریپتون و زنون را به دام انداخت.
کشف رادون
در سال ۱۹۰۰، فردریک دورن۱۲ آخرین عنصر طبیعی از گروه گازهای نجیب را کشف کرد، شکل ۴. او در آزمایشی متوجه شد ترکیب‌های حاوی رادیم، گازی پرتوزا آزاد می‌کنند. دورن این گاز را «نیترون»۱۳ نامید. در سال ۱۹۲۳ کمیته بین‌المللی عنصرهای شیمیایی و انجمن آیوپاک تصمیم گرفت این عنصر را رادون بنامد.
اوگانسون؛ عضو نجیب اما جامد
آخرین عنصر در جدول دورهای با عدد اتمی ۱۱۸، در پایین‌ترین خانه گروه گازهای نجیب قرار گرفته است. این عنصر که به حالت طبیعی وجود ندارد و در سال ۲۰۰۲ بهطور مصنوعی در آزمایشگاه ساخته شد، به افتخار نام کاشف آن یوری اوگانسین۱۴، اوگانسون۱۵ نام گرفته است، شکل ۵.
شکل ۵. یوری اوگانسین، سازنده گاز نجیب جامد
اوگانسون پرتوزا و به شدت ناپایدار است که نیم‌عمری کمتر از یک میلی‌ثانیه دارد. از این رو، تا سال ۲۰۰۵ دانشمندان توانستند تنها چهار اتم از اوگانسون تهیه کنند. در حالی که برای بررسی چنین عنصر سنگین و ناپایداری با روش‌های شیمیایی، نیاز به مجموعه‌ای شامل صد تریلیون اتم اوگانسون بود. بنابراین دانشمندان در تعیین ساختار اتم و هسته چنین عنصری چاره‌ای جز استفاده از محاسبات نداشتند. بنا به این بررسی‌ها پیش‌بینی شد که اوگانسون باید حالت جامد داشته باشد: عضوی جامد در یک خانواده گازی!
شکل ۶. تابع الکترونی برای زنون و اوگانسون.
لایه‌های الکترونی در زنون به طور مشخص دیده می‌شوند اما در اوگانسون به صورت یکپارچه‌اند.
دانشمندان این واقعیت را به کمک اثرهای نسبیتی توضیح داده‌اند. بنا به مدل اتمی بور، در ساختار اتمی همه عنصرها الکترون‌ها در فاصله معینی از هسته- که لایه‌های الکترونی را معرفی می‌کنند- پیرامون هسته در گردش‌اند. شکل ۶ تابع مستقر الکترون‌ها را در اتم زنون و اوگانسون، بنا به محاسبات نسبیتی اتمی نشان می‌دهد. لایه‌های الکترونی در گاز زنون بهصورت دایره، به روشنی قابل تشخیص‌اند در حالی که مدارها به‌عنوان الگوهای معمول و شناخته‌شده در اتم‌ها، در اوگانسون دیده نمی‌شوند، اثری از لایه الکترونی خارجی نیست و به نظر می‌رسد همه لایه‌ها با هم ادغام شده‌اند و بهصورت لکه‌ای یکپارچه درآمده‌اند. انتظار می‌رود وجود چنین تفاوتی میان ساختار اتمی اوگانسون با دیگر اعضای خانواده‌اش، عامل اصلی بروز تفاوت‌های چشمگیر در ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی میان آن‌ها باشد [۳]. برای نمونه، اوگانسون برخلاف گازهای هم‌گروهی‌اش الکترون‌خواه است و با اتم‌های دیگر پیوند تشکیل می‌دهد.
پی‌نوشت‌ها
1.Ramsay, w.
2. Cavendish, H.
3. Rayleigh,L.
4. Strutt, w.
5. idle
6. Jansen, P.
7. Miers, H.
8. Cleveite
9. Hillebrand, W.
10. Francis, W.
11. Travers, M.
12. Dorn, F.
13. nitron
14. Oganessian, Y.
15. Oganesson
منابع
1.Group 18: Properties of nobel gases
chem. libretexts. org/ book shelves/ inorganic- chemistry
2. A noble quest
www. chemistryworld. com/ features/ history of noble gases/ 1017385. article
3. Oganesson- noble but not a gas
msutoday. msu. edu/ news/ 2018