William Ramsay

(1852-1916)

Egy fel nem fedezett gázról

Elôadás
 

Nature, 56, 378 (1897)

Address to the Section B (Chemistry) of British Association for the Advancement of Science

in: David Knight, ed., Classic Papers in Chemistry, second series (New York: American Elsevier, 1970)


A Brit Társulat tagjai elé terjesztett beszéd háromféle lehet. Lehet történelmi, idõszerû vagy profetikus. Szólhat a múltról, a jelenrõl vagy a jövõrõl, de gyakran, sõt majdnem mindig, errõl is, arról is. Elõzõ elnökeink alkalmasint történelmi bevezetéssel kezdték, tudományunk valamely ágának ez idõ szerinti állapotáról szóló áttekintéssel folytatták, és igaz, ritkábban látnoki megjegyzésekkel zárták. Akik vonzódnak a múlthoz, azok a történelmi oldalt hangsúlyozzák, a gyakorlati ember, a kutatásban érdekelt felfedezõ számára talán az idõszerû okozza a több örömöt, miközben a nagyközönségnek, melyet az újdonság gyakran jobban vonz, mint az igazság, a profetikus nézõpont a legérdekesebb.

Ebben a beszédben illõ minden ízlés kielégítésére törekednem, és talán megbocsátható, ha ezt az alkalmat a jövendölés veszélyes luxusára használom fel. Oly luxusról van szó, melyben a tudományos szaklapok szerkesztõi ritkán részeltetik olvasóikat.

Mondandóm tárgya a mai napon egy új gáz. Leírom majd különleges tulajdonságait, de illetlen lenne, ha nem hoznám már most tudomásukra legfeltûnõbb tulajdonságát, azt nevezetesen, hogy ez a gáz még nincs felfedezve. Minthogy még meg sem született, neve sincs. Nem könnyû dolog egy új elem elnevezése. Az ABC-ben van huszonhat betû, és van már hetvennél is több elem. Nehéz feladat olyan nevet választani, amely más elemek számára még le nem foglalt jellel rövidíthetõ, és a nehézséget még fokozza, ha ugyanakkor oly név kívánatos, mely az elem tulajdonságaira (vagy remélt tulajdonságaira) is emlékeztet.

Most az a feladatom, hogy meggyõzzem Önöket ennek a felfedezetlen elemnek a létezésérõl.

Döbereiner már 1817 elõtt megjegyezte, hogy bizonyos elemek hármas csoportokba rendezhetõk. A triádokba tartozó elemek kiválasztása analóg tulajdonságaik és az akkor éppen felfedezett atomsúlyaik sorrendjében történt. A kalcium, a stroncium és a bárium alkot ilyen csoportot. Oxidjaik, az égetett mész, a stroncium- és a bárium-oxid mind könnyen oldódók, vízzel vegyülve oldható mészvizet, stroncium-hidroxidot és bárium-hidroxidot adnak. Szulfátjaik mind gyengén oldhatók és hasonlóságot állapítottak meg megfelelõ kloridjaik és nitrátjaik között is. Szabályszerûséget mutatnak továbbá atomsúlyaik. Az akkor elfogadott számok 20, 42,5 és 65 voltak. A stroncium 42,5-ös atomsúlya számtani közepe a másik két elemének, lévén (65 + 20) / 2 = 42,5. Döbereiner más, hasonló csoportok létezésére is rámutatott. Ezek a csoportok mint "Döbereiner-triádok" ismertek.

Más, ugyancsak az atomsúlyoktól függõ módszert javasolt az elemek osztályozására Pettenkofer, amit késõbb Kremers, Gladstone és Cook tökéletesített. E módszer szerint keresni kell egy olyan kifejezést, amelyik jól reprezentálja a rokon elemek atomsúlyai közti különbségeket. A lítium 7-es és a nátrium 23-as atomsúlya közti különbség 16, a nátriumé és a 39-es atomsúlyú káliumé közötti szintén 16. A szabályszerûség nem mindig ilyen szembetûnõ. 1857-ben Dumas gondolt ki egy némiképpen bonyolultabb kifejezést, amely bizonyos fokig kifejezte az atomsúlyok szabályszerûségét fluor, klór, bróm és jód, valamint nitrogén, foszfor, arzén, antimon és bizmut esetében.

A szabályszerûség felismerésére tett erõfeszítések elvezettek oda, hogy 1864-ben John Newlands, az elemeket nyolc csoportba sorolván, azt találta, hogy az atomsúlyaik szerint sorba rakott elemek esetében "egy adott elemtôl kiindulva a nyolcadik elem az elsô ismétlése, mint a zenében egy oktáv nyolcadik hangja." Ennek a szabályszerûségnek "az oktávok törvénye" nevet adta.

Ezt a gondolatot, mint ezt minden kémikus tudja, a tübingeni néhai Lothar Meyer professzor, és a szentpétervári Mengyelejev professzor fejlesztette tovább az általánosan "periodikus törvény" néven ismert szabállyá. Az elrendezés az egyik legegyszerûbb módon egy hengerrel szemléltethetõ, amely tengelyével párhuzamos egyenesekkel nyolc szegmentumra van osztva. A hengerre ezután egy spirális szalag tekeredik, amelyet ezek a vonalak természetesen minden fordulatban nyolcszor metszenek. A függõleges hengeren a spirális szalag függõleges vonalakkal elválasztott szeleteibe kerül be egy-egy elem neve és atomsúlya a számszerû atomsúlyok sorrendjében. Lothar Meyer és Mengyelejev nyomán látható, hogy az egy-egy függõleges vonal mentén egymás alá került elemek egy-egy természetes osztályból kerülnek ki, hasonlóak a tulajdonságaik, hasonló vegyületeket képeznek és lépcsõzetes viszony mutatkozik sûrûségükben, olvadáspontjukban és sok más tulajdonságukban. Az egyik függõleges oszlop azonban különbözik a többitõl, amennyiben három csoport van rajta, három-három elembõl, melyeknek atomsúlya közelítõleg megegyezik. A kérdéses elemek a vas, a kobalt és a nikkel; a palládium, a ródium és ruténium, és a platina, az irídium és az ozmium. Szemmel láthatóan van ebben az oszlopban hely egy negyedik, sõt talán egy ötödik csoport három eleme számára is. Ilyen csoport felfedezése nem valószínûtlen, hiszen amikor Mengyelejev professzor ezt a táblázatot elõször elkészítette, felfigyelt néhány hézagra, amelyeket azóta feltöltöttek a felfedezett galliummal, germániummal és másokkal.

Az argon felfedezése egyszerre felkeltette Lord Rayleigh és a magam kíváncsiságát: hol lehet ennek a helye a táblázatban? A 20 körüli sûrûségével, ha az oxigénhez és nitrogénhez hasonlóan kétatomos gáz, a fluort kellene követnie a periódusos rendszerben. Elõször arra gondoltunk, hogy az argon valószínûleg három gáz keveréke, amelyek közel azonos atomsúlyúak, akár a vas, a kobalt és a nikkel. A feltételezésre alapozva adtuk nekik hazafias buzgósággal az Anglium, Scotium és Hibernium nevet! Amikor azonban fajhõik aránya, legalábbis véleményünk szerint, félreérthetetlenül azt mutatta, hogy a gáz molekulárisan egyatomos, nem pedig kétatomos, amint az elõször feltételezték, el kellett hinnünk, hogy atomsúlya 40 és nem 20, és hogy az atomtáblázatban a klórt követi és nem a fluort. Azonban támadt itt egy nehézség. A klór atomsúlya 35,5 és a táblázatban a következõ elemé, a káliumé 39,1; az argoné 40, így követi és nem elõzi a káliumot, mint azt vártuk volna. Lehetséges maradhat még, hogy az argon nem áll teljesen egyatomos molekulákból, hanem kis százalékban kétatomos molekulákat is tartalmazhat; de e feltevés véleményem szerint távolról sem mondható alaposnak. Másik lehetõség, hogy az argon, ahogyan azt elõször is feltételezték, mégis egynél több elem keveréke; de kivéve, ha a feltételezett keverék egyik elemének atomsúlya igen nagy, mondjuk, 82 a helyzet nem javul, a feltételezett hármas egyik eleme mindenképpen nagyobb atomsúlyú lesz, mint a kálium. Emellett azok az igen gondos kísérletek, amelyeket Dr. Norman Collie és én az argon frakcionált diffúziójával végeztünk, megcáfolták nagy atomsúlyú elem létezését az argonban, és kétségtelenül a gyakorlatban igazolták, hogy az argon egyszerû anyag és nem keverék.

A hélium felfedezése derített új fényt erre a kérdésre. A hélium, emlékezhetünk, bizonyos, fõként uránt tartalmazó ásványokból fejlõdik, hevítés hatására; bár úgy látszik, olyanokból is fejlôdik, amelykben nincs urán, nyomoktól eltekintve. Ezek közé az ásványok közé tartozik a kleveit, a monacit, a fergusonit és egy sereg hasonló bonyolult keverék, amelyek mindegyike ritka elemeket tartalmaz, így nióbiumot, tantált, ittriumot, cériumot stb. A hélium spektrumát feltûnõ, ragyogó sárga vonal jellemzi, melyet még 1868-ban figyelt meg Frankland és Lockey professzor a Nap kromoszférájának spektrumában, és ekkor nevezték el az elemet "hélium"-nak.

A hélium sûrûsége igen közel áll 2,0-hoz, és hasonlóan az argonhoz, a fajhõarányok azt mutatják, hogy ez a gáz is egyatomos. Atomsúlya ily módon megegyezik molekulasúlyával, azaz 4,0, és helye a hidrogén és a 7,0 atomsúlyú lítium között van a periódusos rendszerben.

A hélium és az argon atomsúlya közötti különbség 36 vagy 404. Mármost ilyen különbség több esetben fellép. Például a fluorral kezdõdõ csoportban:
 

fluor 19 
16,5 
klór 35,5 
19,5 
mangán 55 

Az oxigéncsoportban:
 

oxigén 16 
16 
kén 32 
20,3 
króm 52,3 

A nitrogéncsoportban:
 

nitrogén 14 
17 
foszfor 31 
20,4 
vanádium 51,4 

A széncsoportban:
 

szén 12 
16,3 
szilícium 28,3 
19,8 
titán 48,1 

Ez a példa kielégítõen mutatja, hogy az egyes elemcsoportokban az egymást követõ tagok között a különbség közelítõleg 16 és 20 között van. Az említett rövid sorozatok szélsõ tagjai között a különbségek a következõk:
 

mangán fluor: 36
króm oxigén: 36,3
vanádium nitrogén: 37,4
titán szén:  36,1

Ez közelítõleg a hélium és argon atomsúlya közötti különbség: 36.

Léteznie kell tehát egy még fel nem fedezett elemnek a hélium és az argon között, amelynek atomsúlya a héliuménál 16 egységgel nagyobb és az argonénál 20 egységgel kisebb, tehát 20. Ha pedig errõl az ismeretlen elemrõl kiderülne, hogy a héliumhoz és az argonhoz hasonlóan egyatomos molekulákból áll, akkor sûrûségének az atomsúly felének, 10-nek kellene lennie. Az analógiát tovább folytatva várható, hogy ez az elem a más elemekkel való egyesülés tekintetében ugyanolyan közömbös lesz, mint a két másik elem.

Asszisztensem, Morris Travers fáradhatatlanul segít ennek az ismeretlen gáznak a kutatásában. Van egy közmondás a tû keresésérõl a szénaboglyában. Ha megérné a fáradozást, a modern tudomány alkalmas mágneses berendezésekkel hamar megtalálná a közmondásos tût. Itt azonban egy feltételezett ismeretlen gázzal van dolgunk, amelynek kétségtelenül negatívak a tulajdonságai és az egész világon kell keresnünk. Mégis meg kell próbálni.

Figyelmünket elõször a hélium forrásaira, az ásványokra fordítottuk. Csaknem minden ásványt, amit be tudtunk szerezni, vákuumban hevítettünk és megvizsgáltuk a fejlõdött gázt. Az eredmények érdekesek. A legtöbb ásvány hevítéskor gázt ad le, és a gáz rendszerint tekintélyes mennyiségû hidrogént ad le, amihez szén-dioxid, valamint vitatható nyomokban nitrogén és szén-monoxid keveredik. Sok ásvány emellett héliumot ad le, ami, ha kis mennyiségben is, de nagyon elterjedtnek bizonyult. Egy ásványból, a malakonból, tekintélyes mennyiségû argon fejlôdött. Figyelemre méltó, hogy ezen és egy meteorvas mintán kívül más ásványban nem találtunk argont (különös, hogy itt a héliumnál jóval nagyobb mennyiség volt). Más meteorvas mintákat is vizsgáltunk, de úgy találtuk, hogy fõleg hidrogént tartalmaznak, argont vagy héliumot nyomokban sem. Valószínû, hogy ezen a módon a meteoritok eredete felfedhetõ és mindegyik hozzárendelhetõ egy-egy rajhoz.

A vizsgált ásványok között volt egy, amelyre Lockyer professzor hívta fel figyelmünket, nevezetesen az eliazit. Elmondta, hogy olyan gázt extrahált belõle, amely a héliuméban hiányzó spektrumvonalakat mutatott. Volt oly szíves és adott mintát ebbõl a rendkívül ritka ásványból, de a minta, melyet vizsgáltunk, a kétségtelen héliumon kívül mást nem tartalmazott.

1895-ben, egy izlandi utazás alatt gyûjtöttem gázt az ottani gejzírekbõl. A gáz legnagyobb részt levegõbõl állt, de kissé több argont tartalmazott, mint amennyi rendszerint oldódik, ha a levegõt vízzel rázzuk össze. 1896 tavaszán Traversszel utazást tettünk a Pireneusokba, hogy gázt gyûjtsünk a cauteretsi ásványvíz-forrásokból, melyekre Dr. Bouchard hívta fel figyelmünket, rámutatván arra, hogy ezek a gázok héliumban dúsak. Sok, különbözõ forrásból eredõ mintát vizsgáltunk meg, megerõsítettük Dr. Bouchard eredményeit, de a gázok spektrumában ismeretlen vonalnak jele sem volt. Kutatásunk hiábavaló volt.

Nézzük most tárgyunkat más szempontból. Röviddel a hélium felfedezése után Runge és Paschen professzorok, az ismert spektroszkópusok, nagyon gondosan megvizsgálták a hélium spektrumát. A spektrumot lefényképezték, különös figyelmet fordítva annak láthatatlan, "ultraibolyá"-nak és "infravörös"-nek nevezett részeire. Az így regisztrált vonalakról kitûnt, hogy harmonikus viszonyban vannak egymással. Két sorozatba oszthatók, melyek mindegyike önmagában teljes. Hasonló eljárást alkalmaztak a lítium és a nátrium spektrumára; ezen elemek spektrumában csak egy sorozat volt. Ezért Runge és Paschen arra következtetett, hogy az ideiglenesen héliumnak nevezett gáz valójában két, egymáshoz igen hasonló tulajdonságú gáz keveréke. Minthogy nem ismerünk olyan elemeket, melyek atomsúlya a hidrogéné és a lítiumé közé esne, nincs kémiai érv sem a feltételezés ellen, sem mellette. Runge professzor úgy vélte, bizonyított azzal, hogy diffúzióval elválasztotta a két elképzelt elemet, de Traversszel rámutattunk arra, hogy a spektrum diffúziónak tulajdonított változását az is okozhatta, hogy változott a gáz nyomása a vákuumcsõben. Runge professzor röviddel ezután elismerte tévedését.

A felvetõdött megfontolások miatt azonban a hélium esetében is helyénvalónak láttunk egy olyan szisztematikus diffúziót, mint amilyet az argonnál próbáltak ki. A kísérleteket Dr. Collie és én végeztük el, 1896-ban. Az eredmény bátorító volt. A héliumot ezen a módon két különbözõ diffúziósebességû, következésképpen különbözõ sûrûségû részre lehetett osztani. Az elválási határok azonban nem voltak túl jók. Kaptunk egyszer egy nagyjából 2,0-es sûrûségû gázt, másrészt pedig egy 2,4-es, vagy hasonló sûrûségû mintát. A nehézségeket még fokozta az a sok alkalommal meggyõzõen megfigyelt furcsa jelenség, hogy a héliumnak túl nagy a diffúziósebessége a sûrûségéhez képest. A diffundáló gáz könnyebb részletének sûrûsége a diffúziósebességbõl számítva 1,874 volt. Ez azonban reális, 2,0 körüli sûrûségnek felel meg. Miután közleményünk, amelyben számot adtunk ezekrõl a kísérletekrõl, megjelent, egy német kutató, A. Hagenbach megismételte kísérleteinket és megerõsítette eredményeinket.

A két különbözõ sûrûségû gázminta más tulajdonságokban is különbözött. Az eltérõen átlátszó anyagok abban különböznek, hogy milyen sebességgel engedik át a fényt. A fény a vízben sokkal kisebb sebességgel terjed, mint a levegõben, és a levegõben kisebb sebességgel, mint a hidrogénben. Lord Rayleigh úgy találta, hogy a hélium kisebb ellenállást tanúsít a fény áthaladásával szemben, mint bármely más anyag, és a hélium két elválasztott részlete közül a nehezebbik nagyobb ellenállást tanúsít, mint a könnyebb. A fény lassulása, szemben a szokásos megfigyeléssel, közel arányos volt a minták sûrûségével. A két minta spektruma legkisebb mértékben sem különbözött. Emiatt nem tûnik egészen képtelenségnek azt megkockáztatni, hogy a diffúziós eljárás nem kétféle gázt különített el egymástól, hanem ugyanazon fajta könnyû molekulákat választott ki nehéz molekulák közül. Ez a gondolat nem új. Schützenberger professzor (akinek nemrégen bekövetkezett halálát minden kémikus sajnálja) és késõbb Crookes is, képviselte azt a nézetet, mely szerint az, amit mi egy elem atomsúlyának nevezünk, valójában középérték, és ha azt mondjuk, hogy az oxigén atomsúlya 16, csupán azt jelentjük ki, hogy az átlagos atomsúlya 16; és nem elképzelhetetlen, hogy a molekulák bizonyos számának súlya kissé nagyobb mint 32, míg bizonyos számuk súlya kisebb annál.

Úgy gondoltuk tehát, hogy ezt a kérdést valami ismert gáz esetén közvetlen kísérletekkel kell megvizsgálni. A helyzet vizsgálatára alkalmas anyagként a nitrogént választottuk. Traversszel egy sokkal nagyobb és alkalmasabb gázdiffúziós készüléket építettünk, és elvégeztünk egy sor szisztematikus nitrogéndiffúziót. Harminc, 180 diffúziónak megfelelõ sorozat után, a nitrogén sûrûsége változatlan maradt, és az a rész, amelynek ha a diffúziósebességben különbség lenne, lassabban kellett volna diffundálnia azonos volt azzal a résszel, amelyik a leggyorsabban diffundált, azaz azzal, amelyik elõször haladt át a porózus dugón. Ez a kísérlet tehát sikertelen volt. Mégis érdemes volt végrehajtani, mert most már bizonyos, hogy egy kémiailag biztosan egységes gázt nem lehet diffúzióval különbözõ sûrûségû részletekre szétválasztani. Ezek a kísérletek azután igen valószínûtlenné tették azt a feltevést, hogy a hélium két részletének eltérõ sûrûsége könnyû és nehéz héliummolekulák szétválásából adódna.

A diffúzióhoz használt készülék térfogata körülbelül két liter volt. Megtöltöttük héliummal és a diffúziós mûveletet harmincszor végeztük el. Volt hat, gázzal töltött tartály, és mindegyiket két részre választottuk szét diffúzióval. Az egyik adag nehezebb részletéhez hozzáadtuk a következõ könnyebb részletét és ily módon mind a hat tartály sikeresen haladt át a diffúziós készüléken. A mûveletetet harmincszor hajtottuk végre, miközben mind a hat tartályban mindig lezajlott a diffúzió, ami összesen 180 diffúziót jelentett. Az eljárás végére a gyorsabban diffundáló gáz sûrûsége 2,02-re csökkent, míg a kevésbé gyorsan diffundálóé 2,27-re nõtt. A könnyû részlet sûrûsége az újradiffundáltatás során alig változott, míg a diffúzióval három részre szátválasztott nehezebb részletben tekintélyes sûrûségkülönbség állt elõ az elsõ és utolsó harmad között. Hasonló mûveleteket végeztünk új héliummennyiséggel is, azért, hogy elég gázt gyûjtsünk egy második diffúziósorozathoz. Mindkét gáz gyorsabban diffundáló részletét összekevertük és újradiffundáltattuk. A gázok könnyebb részletének 1,98 volt a sûrûsége. Tizenöt diffúzió után a könnyebb részlet sûrûsége már nem csökkent. Elértük a végsõ állapotot, diffúzióval könnyebb részletet már nem lehetett nyerni. A gáz fõ tömegének sûrûsége így 1,98 és törésmutatója levegõre vonatkoztatva 0,1245. A szóban forgó részlet spektruma semmilyen tekintetben nem különbözik a hélium szokásos spektrumától.

Mivel az újradiffundáltatás sem a gáz sûrûségét, sem fénytörését nem változtatta meg, jogosan tételezhetõ fel, hogy vagy nem lehetett egy meghatározott elemet elválasztani, vagy, ha mégis egynél több elem van jelen, akkor ezeknek ugyanaz vagy igen közeli a sûrûségük és a fénytörésük. Ez lehet néhány, mondjuk három elem egy csoportja, mint amilyen a vas, a kobalt és a nikkel, de semmi sem bizonyítja, hogy ez a gondolat igaz, sõt a spektrum egyszerûsége éppen a feltevés ellen szól. A gáz teljes mennyiségének legnagyobb részét képezõ anyagot tehát jelen ismereteink szerint tiszta héliumnak kell tekinteni.

A nehezebb maradék sûrûségét másrészrõl újradiffundáltatással könnyen lehetett változtatni, amibõl az következik, hogy egy kevés nehéz gáznak és nagy mennyiségû könnyû gáznak a keveréke. Az ismételt újradiffundáltatás arról gyõzõtt meg minket, hogy csak igen kis mennyiségû nehéz gáz van jelen a keverékben. A legtöbb nehéz gázt tartalmazó részlet sûrûsége 2,275 volt, törésmutatóját pedig 0,1333-nak találtuk. Olyan újradiffundáltatás után, melynek végén ebbõl a gázrészletbõl már csak egy Plücker-csôre való nyomnyi rész maradt vissza, a spektrumban nem lehetett ismeretlen vonalat észlelni, sõt egy szûrõ és egy rés közbeiktatásával az argon jól ismert kék vonalai látszottak, szûrõ nélkül pedig az argon vörös vonalai és a két zöld csoport is határozottan látható volt. A jelen levõ argon hányada a sûrûségbõl számítva 1,64%, a fénytörésbõl számítva 1,14% volt. A következtetést tehát úgy kell megfogalmazni, hogy a héliumot tartalmazó ásványból felszabaduló hélium nehéz összetevõje egyáltalán nem új, hanem, amennyire következtetni lehet, pusztán kis mennyiségû argon.

Ha mármost az általában héliumnak nevezett gázban van egy új gáz, akkor az argonnal van keverve, és rendkívül csekély nyomokban kell jelen lennie. Minthogy sem a hélium, sem az argon nem hajlamos vegyületek képzésére, úgy tûnik, a diffúzión kívül nincs más módszer, ennek a gáznak izolálására ha az egyáltalán létezik a gáz. Ez a kezünkben levô módszer pedig semmilyen jelét nem adta egy ilyen gáz létezésének. Ebbõl azonban semmiképpen sem következik, hogy a gáz nem létezik. Az egyedüli következtetés, ami levonható, az, hogy még nem botlottunk bele abba az anyagba, ami a gázt tartalmazza. A szénaboglya túl nagy és a tû túl kicsiny. A periódusos rendszerre pillantva látható, hogy az alumínium és az indium között helyezkedik el a gallium, egy anyag, mely a föld felszínén csak a legcsekélyebb mennyiségben fordul elõ. A szilíciumot követi, az ónt elõzi a germánium, egy elem, amit eddig csupán az egyik legritkább ásványban, az argiroditban ismertek. Mármost a hélium mennyisége a fergusonitban, amely egyike azon ásványoknak, amelyek számottevô mennyiségben szolgáltatnak héliumot, csupán 33 súlyrész 100 000 súlyrész ásványban. Nem valószínûtlen, hogy vannak ásványok, amelyek az új gázt még ennél is kisebb arányban tartalmazhatják. Ha persze a gázt a még fel nem fedezett forrásban argon és hélium fogja kísérni, rendkívül nehéz lesz ezektõl elválasztani.

Az eddigiekben mindig feltételeztük, hogy az új gáz hasonlítani fog az argonra és a héliumra, minthogy közömbös a reagensekkel szemben és nem képez vegyületeket. Ezt a feltevést azonban érdemes megvizsgálni. A tárgyalás során egyedül a más elemekkel való analógia vezetett minket.

Beszéltünk már az elemek néhány triádjáról. Láttuk, hogy a fluor és a mangán, az oxigén és a króm, a nitrogén és a vanádium, a szén és a titán atomsúlyai közötti különbség gyakorlatilag mindig akkora, mint a hélium és argon közötti, azaz 36. Ha a periódusos rendszerben hátrább levõ elemeket vizsgáljuk, észrevehetõ, hogy a különbség annál inkább csökken, minél kisebbek az atomsúlyok. Így a bór és a szkandium közötti különbség 33; a berillium (glucínium) és kalcium között 31, a lítium és kálium között 32. Ugyanakkor megfigyelhetjük, hogy az elemek annál jobban hasonlítanak egymáshoz, minél kisebbek az atomsúlyok. Nos, a hélium és az argon fizikai tulajdonságaikat tekintve igen hasonlítanak egymásra. Azt hiszem, helyesen állítható, hogy ilyen tekintetben a helyükön vannak. Emellett: az atomsúlyokban legkevésbé különbözõ elempár a berillium és a kalcium. Kissé nagyobb különbség van a lítium és a kálium között. Ezzel a szabályszerûséggel egyezik azután az, hogy a hélium és argon között még nagyobb a különbség. A lítiumtriád középsõ eleme, a nátrium, tulajdonságait tekintve igen hasonlít mind a lítiumhoz, mind a káliumhoz, várhatjuk ezért, hogy a héliumsorozat ismeretlen eleme erõsen emlékeztet majd mind a héliumra, mind az argonra.

Abbahagyva most az új elem tárgyalását, fordítsuk figyelmünket az argon atomsúlyának fontosabb kérdésére és a periódusos rendszer elemei között elfoglalt anomális helyzetére. A nyilvánvaló nehézség a következõ: az argon atomsúlya 40; nincsen vegyületképzési hajlama, következésképpen nincs vegyértéke. A periódusos rendszerben a klór mögé és - a káliuménál nagyobb atomsúlya ellenére - a kálium elé kell kerülnie, holott általánosan elfogadott nézet, hogy az elemeknek atomsúlyuk sorrendjében kell követniük egymást. Ha ez igaz, akkor az argon atomsúlyának 40-nél kisebbnek kellene lennie. Vizsgáljuk meg ezt a feltételezést. Az elsõ sor elemeit tekintve ezt kapjuk:

Li = 7, Be = 11, C = 12, N = 14, O = 16, F = 19, ? = 20.

A különbségek:

2,8; 1,2; 1,0; 2,0; 2,0; 3,0; 1,0.

Nyilvánvaló a rendszertelenség. A következõ sor hasonlóan szabálytalan:

( ? = 20), Na = 23, Mg = 24.3, Al = 27, Si = 28, P = 31, S = 32, Cl = 35.5, A = 40

A különbségek:

3,0; 1,3; 2,7; 1,0; 3,0; 1,0; 3,5; 4,5.

Ugyanazt a szabálytalanságot láthatjuk a következõ sor megtekintésekor. Az argon és a soron következõ kálium között a különbség -0,9, vagyis az argonnak 0,9 egységgel nagyobb az atomsúlya, mint a káliumé. Kisebb atomsúlyt várnánk, hiszen a táblázatban a kálium követi az argont. A táblázatban hátrább még egy hasonló ellentmondás van. A sor a következõ:

Ag = 108, Cd = 112, In = 114, Sn = 119, Sb = 120,5, Te = 127,7, I = 127.

A különbségek:

4,0; 2,0; 5,0; 1,5; 7,2; -0,7.

Itt ismét negatív a különbség a tellúr és a jód között. A szemmel látható diszkrepancia miatt a tellúr atomsúlyát sokszor és gondosan újramérték. Brauner professzor a tellúrt módszeresen frakcionálta, pozitív eredmény nélkül. Az összes újabb atomsúly-meghatározás gyakorlatilag ugyanazt a számot, 127,7-et adta.

Számtalan kísérlet történt arra, hogy az atomsúlyok közötti különbségek szabályosra csökkentése érdekében találjanak egy olyan képletet, amely az atomsúlyokat minden szabálytalanságukkal együtt tudná megadni. Felesleges mondani, hogy ezek a kísérletek sohasem voltak sikeresek. Látszólagos sikert mindig a pontosság rovására értek el, és a kapott számok nem egyeztek a valódi atomsúlyként elfogadott számokkal. Véleményem szerint az ilyen kísérletek felületesek. Az emberi értelem azonban nem elégszik meg az ilyen szabálytalanságok egyszerû tudomásulvételével, hanem arra törekszik, hogy megértse, miért léteznek ilyen szabálytalanságok. Ezzel kapcsolatban két dolog igényel megfontolást. Ezek a következõk: Módosítják-e bizonyos feltételek azokat a "vegyülési arány"-okat, amiket "atomsúlyoknak" nevezünk? És van-e valamilyen alapunk azt feltételezni, hogy ezeket tetszõlegesen módosítani tudjuk? Igazi, változtathatatlan, egyszer s mindenkorra meghatározott "természeti állandók" ezek? Avagy csak addig állandók, ameddig a körülmények, melyek változása módosítaná õket, változatlanok?

A kérdések reális tartalmának megértéséhez fel kell figyelni az "atomsúlyok" és más mennyiségek kapcsolatára. Különösen fontos az "energiának" nevezett mennyiség.

Ismeretes, hogy az energia különbözõ formákban jelenik meg, és egyik fajtája kvantitatíve, veszteség nélkül átalakítható egy másik formává. Az is ismeretes, hogy az energia minden formája kifejezhetõ két faktor szorzataként, melyek egyikét "intenzitásfaktor"-nak, a másikat "kapacitásfaktor"-nak nevezik. Ostwald professzor Allgemeine Chemie címû mûvének utolsó kiadásában néhány energiafajtát a következõképpen osztályoz:
 

a kinetikus energia: a tömeg és a sebesség négyzetének szorzata
a lineáris energia: a hosszúság és az erõ
szorzata
a felületi energia: a felület és a felületi feszültség
szorzata
a térfogati energia: a térfogat és a nyomás
szorzata
a hõenergia: a hõkapacitás (entrópia) és a hõmérséklet
szorzata
az elektromos energia: az elektromos kapacitás és a potenciál
szorzata
a kémiai energia: az "atomsúly" és az affinitás 
szorzata

A felsorolt tényezõk közül a "kapacitásfaktor" áll az elsõ, az "intenzitásfaktor" a második helyen.

A "kapacitásfaktort" illetõen figyelemre méltó, hogy kétféle osztályba sorolható. Az elsõ két energiaféleség, a kinetikus és a lineáris független az energiának alávetett anyag természetétõl. Adott tömegû ólom adott erõvel szemben éppen akkora ellenállást tanúsít, más szóval éppen akkora a tehetetlensége, mint az azonos tömegû hidrogéné. A legnagyobb sûrûségû szilárd test, az iridium tömege kiegyensúlyozza a legkönnyebb szilárd anyagként ismert lítium azonos tömegét. A felületi energia viszont molekulákkal kapcsolatos, nem tömeggel. Ez a helyzet a térfogati energiával is. Egy liter térfogatú edénybe zárt, 2 gramm tömegû hidrogénnek ugyanannyi a térfogati energiája, mint 32 gramm ugyanolyan hõmérsékletû és azonos méretû edényben lévõ oxigéné. Egyenlõ tömegû ón és ólom hõkapacitása nem egyenlõ; de 119 gramm ón kapacitása megegyezik 207 gramm óloméval, azaz az egyenértékû atomtömegek hõkapacitása megegyezik. Egy elektroliton egyenlõ potenciálkülönbség hatására áthaladó elektromosság-mennyiség nem az oldott anyag tömegével, hanem annak egyenértéknyi mennyiségével, azaz atomsúlyának valamely egyszerû törtrészével arányos. A kémiai energia kapacitásfaktora az energiát hordozó anyag atomsúlya. Látjuk tehát, hogy bár a tömeg vagy a tehetetlenség fontos eleme a kinetikus és lineáris energiának, minden más energiafajta közvetlenül vagy közvetve az atomsúllyal van kapcsolatban.

Az ilyen megfontolások hívták fel a figyelmet arra a tényre, hogy az anyag mennyisége (feltéve, hogy létezik a tulajdonságoknak egy olyan hordozója, amit "anyag" névvel illetünk) nem szükségszerûen tehetetlenségével vagy a tömegvonzással mérhetõ.

A "tömeg" szónak két teljesen eltérõ jelentése van. Ha elfogadjuk azt a megállapodást, hogy az anyag mennyiségét tömegével mérjük, a "tömeg" szó "anyagmennyiség"-et jelent. Az anyag mennyiségét azonban bárki más energiafaktorokkal is mérheti. Mondhatom ha így választok , hogy az anyagnak azon mennyiségei, amelyeknek egyenlõ a hõkapacitásuk, egyenlõek. Vagy "egyenlõ számú atom" egyenlõ mennyiségû anyagot képvisel. Tény, hogy valamilyen megszerzendõ anyag értékét inkább azzal mérjük, hogy mire jó, semmint azzal, hogy mekkora a tömege. Élelmiszert is lényegében atomos vagy molekuláris alapon, az albumintartalom alapján veszünk. A legtöbb árucikk értékét pedig az határozza meg, mennyi élelmiszert használ fel a termelõje, vagy elõállítója.

Az energia különbözõ formái tehát aszerint osztályozhatók, hogy "atomos" faktorral vagy "tömeg" faktorral kapcsolatosak. Az elõbbiek vannak többségben. A periodikus törvény pedig a híd közöttük, igaz, tökéletlen, mivel az atomos faktorok tömeg szerint sorba rendezve csak részleges szabályszerûséget mutatnak. Kétségtelen, hogy a fizikának és a kémiának egyik legfõbb problémája ennek a rejtélynek a megoldása. Hogy mi lesz a megoldás, az meghaladja látnoki képességemet. Lehet, hogy találunk olyan feltételeket, amelyek befolyásolják az atomsúlyokat, noha az atomsúlyokat eddig a legbiztosabb "természeti állandók" között tartottuk számon, de lehet, hogy ki fog derülni, a tömeget és a tömegvonzást a hõmérséklet, vagy az elektromos töltés befolyásolja. Nem tudom. De szilárdan hiszek abban, hogy végsõ soron találunk majd valami módot arra, hogy feloldjuk a látszólagos ellentmondásokat. Ilyen kibékítésre szükség van, bármi legyen is a vélemény az univerzum természetérõl és mûködésének módjáról; bármilyen egységet választunk is alapvetõnek a rendelkezésünkre állók közül.

Ebben az elõadásomban arra törekedtem, hogy teljesítsem ígéretemet egy kevés történelem, egy kevés aktualitás és egy kevés jóslás elegyítésérõl. A történelem a Óvilágot érinti, a múlt eseményeit az Újéval törekedtem elegyíteni; és arra kérem önöket, osszák meg velem azon reményemet, hogy jóslataim többsége megvalósul majd az Óceán innensõ oldalán. 


Szepesváry Pálné fordítása

[Ramsey és Travers 1898-ban végül felfedezte a neont. (Cseppfolyósított argonból sikerült elválasztaniuk.)]


ChemoNet, 1997 
Vissza
http://www.kfki.hu/chemonet/
http://www.ch.bme.hu/chemonet/