O pierwiastkach chemicznych odkrytych przez kobiety / 150. rocznica powstania układu okresowego pierwiastków

/  Tomasz Pospieszny  /

 

© Ewelina Wajs

W układzie okresowym pierwiastków chemicznych jest dzisiaj 118 pierwiastków (październik 2019 roku). Spośród tych podstawowych cegiełek Wszechświata tylko kilka zostało odkrytych przez kobiety. Jednak historia tych odkryć jest nader fascynująca.

Maria Skłodowskiej-Curie i polon oraz rad (1898)

Pierwszą kobietą, której nazwisko na trwałe wpisało się w historię odkryć pierwiastków chemicznych jest Maria Skłodowska-Curie. Badając fascynujące promieniowanie uranu odkryte przez Becquerela stwierdziła, że niektóre minerały zawierające ten pierwiastek np. blenda smolista, chalkolit czy autunit wysyłają znacznie silniejsze promieniowanie niż wynikało to z zawartości w ich składzie uranu. Uczona dokonała fenomelnego zabiegu – przeprowadziła syntezę chalkolitu i stwierdziła, że wykazuje on normalną promieniotwórczość, czyli taką jakiej należy się spodziewać ze względu na zawartość uranu w próbce. W związku z powyższym w naturalnym minerale musiała istnieć domieszka nowego, nieznanego nauce pierwiastka. Maria zanotowała: Obie rudy uranu: blenda smolista (tlenek uranu) i chalkolit (fosfat miedzi i uranylu) są o wiele bardziej aktywne niż sam uran. Fakt ów jest godny uwagi i pozwala sądzić, że te minerały mogą zawierać pierwiastek o wiele bardziej aktywny niż uran. Niestety Maria i Piotr nie byli w stanie wyodrębnić potencjalnych pierwiastków chemicznych znanymi wówczas metodami. Ich córka Irena Joliot-Curie wyjaśniała po latach:

Irena Joliot-Curie, b.d., Musée Curie, col. ACJC

Ze względu na to, że jedyną znaną właściwością hipotetycznego ciała [nowego pierwiastka] była jego promieniotwórczość, Piotr i Maria Curie wprowadzili nową metodę pracy, która stała się podstawową w całej radiochemii. Przeprowadzali oni chemiczne rozdzielanie różnych ciał zawartych w minerale i mierzyli promieniotwórczość każdej frakcji. Wkrótce stwierdzili, że promieniotwórczość koncentruje się z jednej strony w siarczkach strącanych z kwaśnych roztworów, z drugiej – w pierwiastkach ziem alkalicznych i niebawem przekonali się o istnieniu dwóch nowych pierwiastków promieniotwórczych: polonu i radu […], wyższych homologów telluru i baru.

Upór Madame Curie doprowadził ją do odkrycia, które zrewolucjonizowała spojrzenie na teorię materii. 18 lipca 1898 roku małżonkowie Curie ogłosili, że odkryli nowy pierwiastek chemiczny, który nazywali polonem (symbol Po, liczba atomowa 84). Donosili:

Przypuszczamy, że ciało, które wyodrębniliśmy ze smółki uranowej, zawiera nieznany jeszcze metal, zbliżony do bizmutu ze swoich właściwości chemicznych. Jeśli istnienie tego metalu się potwierdzi, proponujemy dla niego nazwę polon – od imienia ojczyzny jednego z nas.

Maria i Piotr Curie w laboratorium przy ulicy Cuvier, 1904, Musée Curie, col. ACJC

Jednak na tym nie koniec. W połowie listopada przeprowadzili eksperymenty, dzięki którym otrzymali bardzo promieniotwórczy produkt. Wraz z Gustawem Bémontem otrzymali próbkę zawierającą bar, która była dziewięćset razy bardziej promieniotwórcza niż uran. 26 grudnia 1898 roku ogłosili, że odkryli drugi pierwiastek chemiczny, który nazwali radem (symbol Ra, liczba atomowa 88). W pracy pt. „O nowej silnie radioaktywnej substancji zawartej w blendzie smolistej” napisali:

Wyżej wyszczególnione fakty każą nam przypuszczać, że w tym nowym związku promieniotwórczym znajduje się nowy pierwiastek, który proponujemy nazwać radem. Nowy ten związek zawiera na pewno znaczną ilość baru, mimo to jednak jest on silnie promieniotwórczy. Promieniotwórczość radu musi być, zatem ogromna.

Tak zrodziła się legenda godna najwybitniejszej uczonej.

 

Harriet Brooks i radon (1901)

Harriet Brooks, 1898, McCord Museum, Montreal, Quebec

Ernest Rutherford zauważył, że związki toru nieustannie emitują radioaktywny gaz, który zachowuje właściwości promieniotwórcze przez kilka minut. Nazwał to zjawisko emanacją gazu, a później emanacją torową (ThEm). Uczony pisał: promieniowanie z tlenku toru nie było stałe, ale zmieniało się w najbardziej kapryśny sposób, podczas gdy wszystkie związki uranu emitują promieniowanie w sposób niezwykle stały. Pod kierunkiem Rutherforda ( a właściwie na jego prośbę) Harriet Brooks przeprowadziła serię eksperymentów mających na celu określenie charakteru radioaktywnych emisji toru. Wykazała także, że emanację wysyła również rad. Jej prace dowiodły, że emanacja była gazem o specyficznych właściwościach fizycznych, takich jak na przykład mniejsza masa cząsteczkowa niż masa radu. Brooks wspólnie z Rutherfordem zmierzyła szybkość dyfuzji cząsteczek gazu w powietrza. W 1901 roku uczeni ogłosili pracę pt. „Nowy gaz z raduˮ (Trans. R. Soc. Can., 7, str. 21–25), w której pisali: termin „emanacjaˮ został zastosowany do substancji emitowanej w ten sposób, ponieważ w tamtym czasie nie było dowodów, czy emisja materii była parą substancji, radioaktywnym gazem (nasze podkreślenie) czyli cząstkami materii, z których każda zawiera dużą liczbę cząsteczek. […] Musimy zatem stwierdzić, że emanacja jest w rzeczywistości ciężkimi radioaktywnymi oparami lub gazem. […] specjalne eksperymenty pokazują, że szybko się rozprasza, a także ma charakter gazowy.

Ernest Rutherford, 1908, domena publiczna

Nie ulega wątpliwości, że w 1901 roku Harriet Brooks i Ernest Rutherford udowodnili, że emanacja (dziś zwana radonem, pierwiastek 86) jest radioaktywnym gazem. Należy zauważyć, że Rutherford i Brooks […] opisali swoje wysiłki, aby określić naturę emanacji. Nie można było wyizolować znacznej objętości gazu ani zidentyfikować żadnych nowych linii widmowych. W rezultacie doszli do wniosku, że objętość jakiegokolwiek gazu była niewielka. Wykorzystali urządzenie do dyfuzji gazów jako środek nie tylko potwierdzający, że emanacja jest gazem, ale także w celu uzyskania przybliżonej wartości jego masy cząsteczkowej. Podali (błędnie), że gaz miał masę atomową między 40 a 100. Niemniej jednak fakt, że wartość była znacznie mniejsza niż wartość toru, przekonał ich, że emanacja była wcześniej nieznanym gazem. Nie twierdzili wówczas, że jest to nowy pierwiastek, choć wydaje się, że tę implikację pozostawili czytelnikowi. Jak podkreślają małżonkowie Reyner-Canhamowie (badacze historii odkrycia radonu, biografowie Brooks) Rutherford został przekonany o gazowej naturze emanacji w 1901 roku w wyniku badań przeprowadzonych przez jego pierwszą studentkę, Harriet Brooks.

 

Lise Meitner i protaktyn (1918)

W 1899 roku André-Louis Debierne odkrył pierwiastek, który nazwał aktynem (89Ac). Był to niezwykle tajemniczy pierwiastek, bowiem charakteryzował się dość krótkim czasem połowicznego zaniku, wynoszący zaledwie trzynaście i pół lat. Powinien zatem już dawno zniknąć z powierzchni Ziemi. Ponieważ jednak wciąż zdradza swoją obecność musiał powstawać w wyniku przemiany promieniotwórczej z innego nieznanego dotąd pierwiastka chemicznego. Pierwiastek ten powinien znajdować się w układzie okresowym pomiędzy torem i uranem (90Th  9192U).

Lise Meitner i Otto Hahn w laboratorium, Beriln 1912, domena publiczna

W 1900 roku William Crookes wyizolował nowy pierwiastek jako materiał o wysokim stopniu radioaktywności z uranu. Nie potrafił jednak scharakteryzować go jako nowego pierwiastka chemicznego. Nadał mu nazwę uran X (UX). Nie odniósł on sukcesu bowiem rozpuszczał azotan uranu w eterze, zaś pozostałość roztworu wodnego zawierała w większości mieszaninę dwóch pierwiastków: toru-234 i szukanego protaktynu-234.

W 1909 roku Frederick Soddy z 50 kg uwodnionego azotanu(V) uranylowego otrzymał osad, który wykazywał radioaktywność i emitował cząstki alfa. Według dedukcji uczonego z osadu powstawał w niewielkiej ilości produkt, którego ilość stale i regularnie rosła. Soddy zidentyfikował go jako aktyn (jego obserwacje trwały cztery lata!). Jednak nie potrafił on wyizolować szukanego pierwiastka i podać jego właściwości fizycznych i chemicznych. Warto zauważyć, że cztery lata później Soddy (i niezależnie od niego Polak Kazimierz Fajans) odkrył prawo przesunięć, na podstawie, którego stało się jasne, że pierwiastkiem, z którego powstawał obserwowany przez niego aktyn był poszukiwany pierwiastek 91.

Kazimierz Fajans, 1931, Narodowe Archiwum Cyfrowe, sygn. 1–Z–830

W 1913 roku wspomniany Kazimierz Fajans zaczął prace nad uranem X. Wraz ze swoim doktorantem Osvaldem H. Göhringiem doszedł do wniosku, że jest to mieszanina pierwiastków. Nazwał je uranem X1 i uranem X2. Pierwszy z nich zidentyfikowali jako izotop toru-234, natomiast drugi izotop wchodził w skład szeregu uranowo-radowego i powstaje w wyniku przemiany beta z zidentyfikowanego izotopu toru-234. W związku z tym uran X2 powinien znajdować się dokładnie za torem, a przed uranem, czyli powinien być nowym pierwiastkiem 91. Za pomocą metod analitycznych Fajansowi udało się rozdzielić i wyizolować oba izotopy. Pierwiastek 91 charakteryzował się krótkim czasem połowicznego zaniku, wynoszącym około 1,1 minuty, dlatego uczeni nazwali go brewium (ang. Brevium) od łacińskiej nazwy brevis czyli krótki.

Otto Hahn, 1933, Archiv der Max-Planck_Gesellschaft, Berlin-Dahlem

Wszystkie te zagadki zaczęły w szczególności interesować Lise Meitner, która wspólnie z Ottonem Hahnem rozpoczęła poszukiwania pierwiastka 91. Nadała mu nawet nazwę – Abrakadabra. Meitner i Hahn udoskonalili technikę rozdziału oraz założyli, że nowy pierwiastek powinien mieć właściwości zbliżone do tantalu (pierwiastek 73). Zaczęli – wzorem Marii Skłodowskiej-Curie – badać pechblendę, w której pokładali dużą nadzieję. Hahn i Meitner odkryli nową metodę analityczną umożliwiającą oddzielanie wyizolowanych z pechblendy pierwiastków należących do grupy tantalu z minimalnymi ilościami innych substancji promieniotwórczych.

Lise Meitner, 1912, Archiv der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin-Dahlem

Kiedy wybuchła pierwsza wojna światowa Hahn pojechał na front, zaś główne prace nad pierwiastkiem Abrakadabra wykonywała Lise Meitner. W listach do Hahna donosiła o postępach pracy. Pisała między innymi, że otrzymała wystarczającą ilość materiału do badań, że zamówiła specjalne platynowe naczynia odporne na działanie fluorowodoru, że jedna z próbek wykazuje znaczną aktywność, której nie można przypisać żadnemu znanemu pierwiastkowi. Praca, którą wykonała Lise Meitner polegała na izolacji oraz zbadaniu właściwości fizycznych i chemicznych nowego pierwiastka chemicznego, a także wykazaniu, że jest on pierwiastkiem macierzystym aktynu. Uczona długo i bardzo skrupulatnie mierzyła wysyłane promieniowanie przez protaktyn. Na podstawie pomiarów doszła do wniosku, że w wyniku przemiany alfa nowy pierwiastek przekształca się w izotop aktynu. Po żmudnych i bardzo trudnych eksperymentach chemicznych Meitner 19 czerwca 1917 roku napisała do Hahna: Mam dobre wiadomości dotyczące naszej pracy. Preparat nr 9 naprawdę wydaje się istotny, aktywność alfa jest najwidoczniej już stała. Myślę, że mamy tę substancję w ręku. 17 stycznia 1918 roku donosiła: […] aktywność [pierwiastka] jest bardzo słaba, ale można ją zmierzyć z całkowitą pewnością i może być zweryfikowana przez prędkość zaniku… W każdym razie teraz możemy myśleć o bardzo szybkiej publikacji. 16 marca 1918 roku w prestiżowym niemieckim czasopiśmie naukowym, Physikalische Zeitschrift, Lise Meitner i Otto Hahn przedstawili artykuł pt. Macierzysta substancja aktynu, nowy pierwiastek radioaktywny o długim okresie półtrwania. Napisali między innymi: Przypuszczenie, że pechblenda była odpowiednim materiałem wyjściowym okazało się w pełni uzasadnione. Udało nam się odkryć nowy pierwiastek radioaktywny, wykazując jednocześnie, że jest to substancja macierzysta aktynu. Dlatego też proponujemy dla niego nazwę protaktyn. Później nazwę zmienili na protaktyn. Chociaż nie od razu była ona oczywista.

Stefan Meyer, b.d., Archiv der Uniwersitat Wien

Stefan Meyer w liście do Lise pisał: Z Twojego listu wynikają strasznie trudne pytania o protaktyn. Wolałbym nazwy Lisonium, Lisottonium, etc. W związku z tym proponuję symbol Lo, ale niestety one się nie nadają, jeśli ktoś pragnie ogólnej akceptacji… Chociaż mimo iż nadal wolę Lisotto, to wiele bardziej znaczące jest, że został odkryty Pa lub Pn, niż pojawiające się najpiękniejszej nazwy. Otto Hahn wspominał: Z powodu wybuchu wojny nie znaliśmy publikacji Soddy’ego i J. A. Cranstona, która ukazała się w tym samym czasie co nasza i donosiła o substancji macierzystej aktynu. Soddy i Cranston próbowali otrzymać tą substancję z pechblendy poprzez sublimację. Preparaty otrzymywali w wyniku zwiększenia ilości emanacji aktynowej, wykazując wzrastające stężenie aktynu. Przy pewnych założeniach, Soddy i Cranston wyliczyli w przybliżeniu czas półtrwania dla aktynu na 3500 lat. […] Nie mogli jednak określić żadnych informacji o charakterystycznych właściwościach nowej substancji. […] Oryginalnymi odkrywcami pierwiastka byli Fajans i Göhring, dlatego mieli prawo do nadania mu nazwy brewium, ze względu na krótki czas półtrwania. Ale Międzynarodowa Komisja Atomowa nie mogła stosować tej nazwy dla pierwiastka, który my odkryliśmy, ponieważ miał on czas półtrwania wielu tysięcy lat. W związku z tym, w pełni uzasadnione okazało się nazwanie długowiecznego izotopu brewium protaktynem (Pa).

Lise Meitner w laboratorium, Berlin, 1912, Archiv der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin-Dahlem

Po długich i trudnych dyskusjach z Fajansem ustalono, że nowy pierwiastek będzie nazywał się protaktyn. A dziś, chociaż doskonale wiadomo, że całą pracę wykonała Lise Meitner, tylko dzięki jej uprzejmości i lojalności wraz z nią za odkrywcę pierwiastka 91 uważa się Ottona Hahna.

 

Ida Tacke-Noddack oraz mazur i ren (1925/1926)

György von Hevesy, b.d., domena publiczna
Dirk Coster, b.d., domena publiczna

W 1913 roku brytyjski uczony Henry Moseley przeprowadził systematyczne badania widma promieniowania rentgenowskiego emitowanego przez uprzednio wzbudzone pierwiastki chemiczne. W oparciu o otrzymane wyniki przewidział istnienie brakujących w układzie okresowym pierwiastków o liczbach atomowych 42, 43, 72 i 75. Dzięki jego badaniom Holender Dirk Coster oraz Węgier György von Hevesy pracujący w instytucie Bohra w Kopenhadze odkryli hafn (Hf, liczba atomowa72).

 

Ida i Walter Noddackowie w laboratorium Physikalisch-Technische Reichsamstalt, Berlin, lata dwudzieste XX wieku, Stadtarchiv Wesel

Ida Tacke-Noddack i jej mąż Walter skupili się na pierwiastkach chemicznych o numerach 43 i 75. Szczególnie ciekawym pierwiastkiem był pierwiastek 43. Na przestrzeni lat wielokrotnie donoszono o jego odkryciu i proponowano różne nazwy: w 1818 roku Polinium (gr. szary), w 1844 roku Pelopium (na cześć Pelopsa syna Tantala), w 1846 roku Ilmenium (od gór Ilmensky), w 1877 roku Davyum (na cześć wybitnego chemika Humphrey’a Davy’ego), w 1896 roku lucium (łac. lux, świato) czy w 1908 roku nipponium (jap. Japonia). Ida przystąpiła do pracy analizując dostępną literaturę naukową. Wspominała – Od wiosny 1923 r. spędziłam dziesięć miesięcy, od wczesnego rana do późnej nocy w Państwowej Bibliotece w Berlinie przeszukując prawie sto lat literatury dotyczącej chemii nieorganicznej. Niemieckie małżeństwo uczonych zaczęło badać rudy manganu i platyny. Ida i Walter najpierw mozolnie rozpuszczali, następnie wytrącali, ekstrahowali i zatężali roztwory zawierające nowe pierwiastki. Później wytrącali je w postaci osadów (siarczków), które redukowali gazowym wodorem, następnie ogrzewali w tlenie otrzymując sublimaty bogate w ren, ale nie mazur. Przy udziale Ottona Berga zastosowali analizę opartą na spektroskopii rentgenowskiej. Otrzymane wyniki wskazywały na obecność obu pierwiastków 43 i 75 w badanych rudach. 11 czerwca 1925 roku Walther Nernst przedstawił wyniki pracy w Pruskiej Akademii Nauk. Komunikat donosił o odkryciu w niobicie i tantalicie nowych pierwiastków 43 i 75, których ilości były rzędu 10–6 do 10–7 grama. Pierwiastek 43 uczeni nazwali Masurium (mazur, symbol Ma) dla uczczenia Mazur ojczystego kraju przodków W. Noddacka, zaś pierwiastek 75 Rhenium (ren, symbol Re) od rzeki Ren (łac. Rhenus) w Nadrenii miejsca urodzenia I. Tacke.

Ida Noddack, b.d., Stadtarchiv Wesel

Warto zauważyć, że równolegle z odkryciem Idy i Waltera nowy pierwiastek znaleźli Anglicy i Czesi. Podczas, gdy ci pierwsi uznali odkrycie Niemców, Czesi byli uparci i zaproponowali dla pierwiastka 75 nazwę pragium (na cześć Pragi). Musieli jednak w końcu ulec, gdyż Ida wysłała im swoje próbki, w których potwierdzono obecność pierwiastka Noddacków. W 1926 roku Ida i Walter wydzielili 2 miligramy czystego renu. Roku później Ida wydzieliła 120 miligramów tego metalu z molibdenitu, a w1928 roku z 660 kg molibdenitu gram renu. Noddackowie określili właściwości pierwiastka i zbadali jego związki. Nie zdołali jednak wydzielić czystego mazuru, ani – co gorsze –odtworzyć jego widma. Ernest O. Lawrence nazwał prawa Noddacków do odkrycia mazuru widocznymi urojeniami i dodawał, że najwyraźniej sobie ten fakt wmówili. Jednakże mazur figurował jako pierwiastek chemiczny w tablicy Mendelejewa i podręcznikach do chemii aż do 1949 roku, kiedy to w Amsterdamie podczas ustaleń konferencji Międzynarodowej Unii Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) skreślono go z listy pierwiastków. W 1937 roku Carlo Perrier i Emilio Segrè otrzymali pierwiastek 43 w wyniku reakcji syntezy jądrowej, poprzez bombardowanie metalicznego molibdenu (pierwiastek 42) deuteronami (izotopami wodoru) lub neutronami. Nazwali go technetem (symbol Tc, z gr. technetos – sztuczny). W 1967 roku Segrè twierdził, że Noddackowie w kwestii mazuru byli zwyczajnie nieuczciwi.

Ida Noddack w laboratorium, b.d., Stadtarchiv Wesel

Historyk nauki William H. Brock wyjaśnił konkretnie, dlaczego Ida i Walter powinni zostać uznanymi odkrywcami mazuru. W książce Historia chemii napisał:

Ren został łatwo uznany i niezależnie odkryty w tym samym roku przez innych badaczy, natomiast odkrycie mazuru okazało się wątpliwe. Małżonkowie Noddack zdołali wydzielić miligramowe próbki renu z setek kilogramów rud, nie udało się to jednak w przypadku mazuru. W latach trzydziestych, mimo wzmianek o mazurze w podręcznikach i umieszczaniu go w zestawieniach pierwiastków, na ogół uważano, że dane rentgenowskie nie stanowią dostatecznego dowodu istnienia tego pierwiastka. Sądzono, że Noddackowie pośpieszyli się z ogłoszeniem swego odkrycia. Jak dziś wiadomo, pierwiastek 43 (technet) jest produktem rozszczepienia uranu i wykazano, że rudy badane przez Noddacków zawierały uran w ilości umożliwiającej pojawienie się linii mazuru (technetu) w widmach rentgenowskich.

Z perspektywy czasu wydaje się więc słusznym przywrócić mazur do układu okresowego i przypisać pierwszeństwo odkrycia pierwiastka 43 Idzie i Walterowi Noddackom. Czy jest to jednak możliwe?

 

Marguerite Perey i frans (1939)

Pracownicy Instytutu Radowego w Paryżu w bibliotece, 1930. Siedzą, od lewej: Marguerite Perey, Leonie Razet, Marie-Isabelle Archinard i Sonia Cotelle. Stojący od lewej: Andre Régnier, Alexis Yakimach, Raymond Grégoire, Renée Galabert, Tcheng-Da-Tchang i Frederic Joliot-Curie, Musée Curie, coll. ACJC

Poszukiwania fransu nazywanego eka-cezem były równie długie jak poszukiwanie pierwiastków Noddacków. W 1925 roku Radziecki chemik D. K. Dobroserdov twierdził, że znalazł eka-cez w próbce potasu (radioaktywność z próbki pochodziła z naturalnie występującego radioizotopu potasu-40). Opublikował wyniki pracy, a pierwiastek nazwał russium. Rok później angielscy chemicy Gerald J. F. Druce i Frederick H. Loring analizowali zdjęcia rentgenowskie siarczanu manganu(II). Zaobserwowali linie spektralne, które uważali za eka-cez. Zapowiedzieli odkrycie pierwiastka 87 i zaproponowali nazwę alkalium, gdyż byłby to najcięższy metal alkaliczny. W 1930 roku Fred Allison z Alabama Polytechnic Institute twierdził, że odkrył pierwiastek 87 podczas analizy minerałów polucytu i lepidolitu i zaproponował nazwę virginium. Cztery lata później H. G. MacPherson z UC Berkeley podważył i obalił odkrycie Allisona, co doprowadziło do otwartego sporu uczonych. W 1936 roku rumuński fizyk Horia Hulubei i jego koleżanka Yvette Cauchois przeanalizowali polucyt używając aparat rentgenowski o wysokiej rozdzielczości. Zauważyli kilka słabych linii emisyjnych, które przypuszczalnie należały do pierwiastka 87. Zgłosili swoje odkrycie i zaproponowali nazwę moldavium. Rok później prace Hulubeia zostały skrytykowane przez amerykańskiego fizyka F. H. Hirsha Jr., który odrzucił metody badawcze Hulubeja i Cauchois twierdząc, że analizowali oni linie rtęci lub bizmutu.

Marguerite Perey, 1940, Musée Curie, col. ACJC

W 1935 roku Marguerite Perey uczennica Marii Skłodowskiej-Curie przeczytała artykuł amerykańskich naukowców, którzy donosili, że odkryli promieniowanie beta wysyłane przez aktyn. Perey była sceptyczna względem ich doniesień, bowiem energia cząstek beta nie pasowała do cząstek emitowanych przez aktyn. Miała ona spore doświadczenie z aktynem, gdyż pracowała z nim już ponad siedem lat. Domyślała się, że amerykanie muszą dysponować zanieczyszczoną próbką, w której cząstki beta emituje atom potomny tj. taki, który powstaje z aktynu i pozostaje w badanej przez nich próbce. Chcąc udowodnić swoją hipotezę przystąpiła do pracy przygotowując niezwykle czystą próbkę aktynu-227. Zadanie było czasochłonne i bardzo precyzyjne. Uczona musiała działać szybko, aby w próbce nie powstawały atomy potomne. Jej finezyjne badanie polegało na spostrzeżeniu, że niewielka część – około 1,2% – całkowitej radioaktywności aktynu pochodziła z emisji cząstek alfa. Nikt nie podejrzewał, że aktyn-227 emituje cząstki alfa przekształcając się w pierwiastek 87 o czasie połowicznego zaniku 22 minuty i jednocześnie cząstki beta (98,8%) przechodząc w izotop toru-227 (chociaż pierwsze doniesienia na ten temat pojawiły się już w 1914 roku). Jest to tzw. rozgałęzienie. Powstający w ten sposób izotop pierwiastka 227 Perey nazwała aktynem K (Ac-K).

Andre Debierne, 1940, Musée Curie, col. ACJC

Jej bezpośrednim przełożonym był Debierne, chociaż pracowała w laboratorium kierowanym przez Irène Joliot-Curie. Dlatego też o swoim zaskakującym odkryciu poinformowała najpierw Irène. Zaproponowała nawet nazwę catium, ale Joliot-Curie odradziła jej ją, gdyż mylnie by się mogła kojarzyć z kationem. Idąc wzorem Marii Skłodowskiej-Curie Perey zaproponowała więc nazwę dla nowego pierwiastka frans. W tym samy czasie o odkryciu dowiedział się Debierne. Uważał, że jego pracownica powinna najpierw poinformować o odkryciu jego i poczuł się urażony. Jego złość była tak potężna, że nie chciał uznać odkrycia Perey. Nie trafiały do niego żadne argumenty. Konflikt trwał kilka miesięcy. Ostatecznie zgodził się, aby uznać Perey za odkrywczynię pierwiastka i zaakceptował proponowaną przez nią nazwę frans (87Fr). Uczona w jednym z listów pisała: Mam wielką nadzieję, że frans przyda się do leczenia wcześnie rozpoznanego raka. Moim największym życzeniem jest, aby wykonać to zadanie w przyszłości. Niestety sama padła ofiarą radioaktywności – zmarła na nowotwór 15 maja 1975 roku…

 

Zalecana literatura:

  1. T. Pospieszny, Pasja i geniusz. Kobiety, które zasłużyły na Nagrodę Nobla, Wydawnictwo Po Godzinach, Warszawa, 2019.
  2. M. Fontani, M. Costa, M. V. Orna, The lost elements. The periodic table’s shadow side, Oxford University Press, New York, 2014.
  3. I. Eichstaedt, Księga pierwiastków, Wiedza Powszechna, Warszawa 1970.
  4. S. Kean, Znikająca łyżeczka. Dziwne opowieści chemicznej treści, Ferria Science, Łódź, 2017.

150. rocznica powstania układu okresowego pierwiastków

Dymir Mendelejew, 1897, domena publiczna.

Układ okresowy pierwiastków chemicznych jest chyba jednym z najważniejszych osiągnięć nauki, bowiem zawiera wszystkie znane pierwiastki występujące we Wszechświecie jak i te, które do tej pory otrzymał w laboratorium człowiek. Rok 1869 jest powszechnie uważany za rok sformułowania okresowości pierwiastków chemicznych przez jednego z najwybitniejszych uczonych Dmitrija Mendelejewa. W 2019 roku przypada 150 rocznica powstania układu okresowego pierwiastków, dlatego br. został ogłoszony przez UNESCO i Zgromadzenie Ogólne Narodów Zjednoczonych Międzynarodowym Rokiem Układu Okresowego Pierwiastków Chemicznych (IYPT2019). Więcej informacji można znaleźć tutaj.

 

Układ okresowy Dymitra Mendelejewa z 1869 roku zatytułowany: Eksperyment na systemie pierwiastków w oparciu o ich masy atomowe i chemiczne podobieństwa.

 

Tabela pokazująca okresowość właściwości wielu pierwiastków chemicznych, z pierwszego angielskiego wydania Zasad chemii Dymitra Mendelejewa (z 1891 roku, przetłumaczone z rosyjskiej piątej edycji).

Odkrycie nowego pierwiastka chemicznego niewątpliwie wiąże się z wielką radością badacza. Jednak zanim będzie mógł skorzystać z przywileju nadania nazwy nowoodkrytemu pierwiastkowi, odkrycie musi przejść szereg niezwykle restrykcyjnych kryteriów. Jednym z najważniejszych jest potwierdzenie istnienia pierwiastka przez innych naukowców. Warto podkreślić, że nie zawsze oczywiste jest pierwszeństwo dokonanego odkrycia, a tylko ten kto pierwszy odkrył pierwiastek ma przywilej podania dla niego nazwy (obecnie nie zawsze).

Często pierwiastki nazywa się dla uczczenia innych uczonych. W ten sposób upamiętniono:

  • Johana Gadolinagadolin (Gd, pierwiastek 64). Odkryty w 1880 roku i nazwany na cześć fińskiego mineraloga i chemika, odkrywcy itru.
  • Alberta Einsteinaeinstein (Es, pierwiastek 99). Został odkryty w 1952 roku w pozostałościach po wybuchu termojądrowym na Oceanie Spokojnym.
  • Enrico Fermiego ferm (Fm, pierwiastek 100). Został odkryty wraz z einsteinem. Odkrywca pierwiastków, Albert Ghiorso w uzasadnieniu napisał – Proponujemy nazwy dla pierwiastka o liczbie atomowej 99, einstein (symbol E) na cześć Alberta Einsteina i dla pierwiastka o liczbie atomowej 100, ferm (symbol Fm), na cześć Enrico Fermiego.
  • Dymitrija Mendelejewamendelew (Md, pierwiastek 101). Otrzymany w 1955 roku. Glenn Seaborg wspominał – Myśleliśmy, że do nazwy tego pierwiastka będzie pasowało nazwisko rosyjskiego chemika Dmitrija Mendelejewa, który opracował układ okresowy. W prawie wszystkich naszych eksperymentach otrzymując pierwiastki transuranowe, zależało nam na stosowaniu jego metody przewidywania właściwości chemicznych w oparciu o położenie pierwiastka w tabeli. Ale w środku zimnej wojny, nazywanie pierwiastka na cześć rosyjskiego uczonego było nieco odważnym gestem, który nie pasował do niektórych amerykańskich kryteriów.
Pomnik Układu Okresowego Pierwiastków, upamiętniający sylwetkę Dymitra Mendelejewa, stojący na dziedzińcu Wydziału Technologii Chemicznej i Spożywczej Politechniki  w Bratysławie, 2018, fot. Ewelina Wajs-Baryła
  • Alfreda Nobla nobel (No, pierwiastek 102). Pierwsze doniesienia o odkryciu pierwiastka 102 zostało podane przez fizyków z Instytut Nobla w Szwecji w 1957 roku. Zespół poinformował, że bombardowali kiur izotopami węgla-13 przez dwadzieścia pięć godzin w półgodzinnych odstępach. Po wielu kontrowersjach pierwiastek ostatecznie nazwano na cześć fundatora najbardziej prestiżowej nagrody na świecie.
  • Ernesta Lawrencalorens (Lr, pierwiastek 103). Pierwiastek odkryto w 1961 roku i nazwano na cześć amerykańskiego fizyka, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki za wynalezienie i udoskonalenie cyklotronu.
  • Ernesta Rutherfordarutherford (Rf, pierwiastek 104). Pierwiastek został odkryty w 1969 roku i w Stanach Zjednoczonych nazywano go na cześć Rutherforda, zaś w ZSRR (a także m.in. w Polsce) kurczatowem (Ku) na cześć Igora Kurczatowa rosyjskiego fizyka jądrowego. Nazwa rutherford została zatwierdzona w 1997 roku.
  • Glenna T. Seaborgaseaborg (Sg, pierwiastek 106). Został odkryty w 1974 roku. Nazwano go na cześć laureata Nagrody Nobla z chemii w 1951 roku, odkrywcy wielu transuranowców (plutonu, ameryku, kiuru, berkelu, kalifornu). Co ciekawe Seaborg doczekał „swojegoˮ pierwiastka w układzie okresowym (zmarł w 1994 roku). Zwlekano z nadaniem pierwiastkowi nazwy na cześć uczonego – oficjalnie z uwagi, że nie nazywa się pierwiastków imionami osób żyjących; nieoficjalnie – chciano ukarać Seaborga za otrzymanie niezwykle niebezpiecznego pierwiastka – plutonu.
  • Nielsa Bohrabohr (Bh, pierwiastek 107). Został odkryty w 1974 roku. Niemccy uczeni proponowali nazwać go nielsbohr (Ns), zaś Rosjanie chcieli nadać mu nazwę dubn (na cześć Dubnej – miejscowości, w której znajduje się Zjednoczony Instytut Badań Jądrowych). W roku 1994 komitet IUPAC zaproponował nazwanie pierwiastka 107 na cześć Bohra. Trzy lata później została przyjęta obowiązująca nazwa.
  • Wilhelma Conrada Röntgenarentgen (Rg, pierwiastek 111). Pierwiastek odkryto w 1994 roku, nazwę zaakceptowano w 2004 roku.
  • Mikołaja Kopernikakopernik (Cn, pierwiastek 112). Pierwiastek odkryto w 1996 roku, nazwę zaakceptowano w 2010 roku.
  • Gieorgija Florowaflerow (Fl, pierwiastek 114). Pierwiastek odkryto w 1999 roku. Nazwę zatwierdzono w 2012 roku. Zespół kierowany przez Florowa otrzymał cztery syntetyczne pierwiastki chemiczne: nobla, rutherforda, lorensa oraz dubn.
  • Jurija Oganiesiana – oganesson (Og, pierwiastek 118). Odkryto go w 2010 roku i nazwano na cześć żyjącego fizyka jądrowego, pod kierunkiem którego otrzymano jądra pierwiastków chemicznych o liczbach atomowych 113–116, a także … 118. Dostarczył dowody na istnienie tzw. wyspy stabilności.

 

Na konferencji z okazji 150. rocznicy urodzin Marii Skłodowskiej-Curie na Politechnice Warszawskiej, od lewej: Małgorzata Sobieszczak-Marciniak, Jurii Oganesian, Ewelina Wajs-Baryła i Tomasz Pospieszny, 8 listopada 2017, fot. EWB

 

Na szczególną uwagę zasługują dwa pierwiastki – otrzymany w 1944 roku kiur (pierwiastek 96) i w 1982 roku meitner (pierwiastek 109).

 

Graficznie przedstawione symbole curium i meitnerium autorstwa Theodore Gray’a, [:za] http://www.periodictable.com/

Pierwszy z nich został otrzymany przez Glenna T. Seaborga, Ralpha A. Jamesa oraz Alberta Ghiorso z University of California w Berkeley, poprzez bombardowanie cząstkami alfa izotopów plutonu-239. Odkrywcy nowego pierwiastka zaproponowali dla niego nazwę dla upamiętnienia Marii Skłodowskiej-Curie oraz Pierre’a Curie. Było to wyjątkowe wydarzenie, bowiem pierwszy raz od 1880 roku zaproponowano nazwę pierwiastka dla uczczenia jakiejś osoby. Warto zwrócić uwagę, że jego symbol Cm stanowią inicjały Marii Curie. W uzasadnieniu zespół Seaborga napisał:

Jako nazwę pierwiastka o liczbie atomowej 96 proponujemy „curium” i symbolem Cm. Dowody wskazują, że pierwiastek 96 zawiera siedem elektronów w podpowłoce 5f, a zatem jest analogiczny do gadolinu pierwiastka z siedmioma elektronami w podpowłoce 4f […]. Na tej podstawie pierwiastek 96 jest nazwany Curie w analogiczny sposób do nazwy gadolin, na cześć chemika Gadolina.

Niewiele brakowało, aby także córka Marii i Pierre’a Curie – Irène i jej mąż Frédéric Joliot-Curie także zostali upamiętnieni w układzie okresowym pierwiastków. W 1968 roku zespół uczonych pod kierunkiem Gieorgija Florowa z Zjednoczonego Instytutu Badań Jądrowych odkrył dwa izotopy pierwiastka 105. Rosjanie zaproponowali nazwę nielsbohr (Ns) dla uczczenia pamięci Nielsa Bohra, natomiast Amerykanie używali nazwy hahn (Ha), od nazwiska Ottona Hahna. Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) zasugerowała z kolei nazwę joliot (Jl) Ostatecznie w 1996 zatwierdzono, a w 1997 roku opublikowano dla pierwiastka 105 nazwę dubn (Db) na cześć Dubnej.

Natomiast w 1969 roku zespół z Dubnej przeprowadzili eksperymenty chemiczne na pierwiastko 102 i doszli do wniosku, że zachowuje się on jak cięższy homolog iterbu. Uczeni zaproponowali dla niego nazwę joliotium (Jo) dla uczczenia zmarłej kilka lat wcześniej Irène Joliot-Curie. Ostatecznie pierwiastek nazwano noblem.

Drugi pierwiastek został z kolei nazwany na cześć jednej z najwybitniejszych uczonych wszech czasów Lise Meitner. Badaczka była nominowana do Nagrody Nobla aż 48 raz i nigdy nie została nią wyróżniona. W latach 1934–1948 była nominowana 19 razy z chemii, zaś w latach 1937–1965 29 razy z fizyki. Warto podkreślić, że jej współpracownik Otto Hahn otrzymał Nagrodę Nobla z chemii w 1944 roku za rozszczepienie ciężkich jąder atomowych. Jednak to Lise Meitner zinterpretowała to zjawisko, gdyż Hahn nie miał pojęcia co się dzieje w przeprowadzonych przez niego eksperymentach.

W Instytucie Badań Ciężkich Jonów w Darmstadt w Niemczech zespół niemieckich naukowców pod kierunkiem Petera Armbrustera i Gottfrieda Münzenberga przeprowadził eksperyment, w wyniku którego otrzymano kilku atomów nowego pierwiastka chemicznego. Uczeni bombardowali jądra atomowe bizmutu-209 izotopem żelaza-58 otrzymując pierwiastek o liczbie atomowej 109. Armbruster zaproponował dla niego nazwę meitnerium i symbol Mt. W 1994 roku nazwa ta została zalecona, a w 1997 roku zatwierdzona przez IUPAC. Peter Armbruster po latach uzasadniał: Jestem przekonany, że jej wkład stanowi bardzo istotną części fizyki jądrowej XX wieku. Musiała przy tym pokonać wszelkie możliwe przeszkody.

Hahn, który miał być imieniem pierwiastka numer 105 przepadł na zawsze, bowiem zgodnie z obowiązującymi zasadami nie można użyć proponowanej raz nazwy dla innego pierwiastka. Lise się udało, ale Otto został wykluczony na zawsze.

Miejmy nadzieję, że kolejne otrzymane pierwiastki otrzymają nazwy na cześć wybitnych kobiet uczonych…

Zalecana literatura:

 

  1. M. Fontani, M. Costa, M. V. Orna, The lost elements. The periodic table’s shadow side, Oxford University Press, New York, 2014.
  2. E. R. Scierri, Układ okresowy. Historia i znaczenie, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2013.
  3. S. Kean, Znikająca łyżeczka. Dziwne opowieści chemicznej treści, Ferria Science, Łódź, 2017.
  4.  H. Aldersey-Williams, Fascynujące pierwiastki. W krainie fundamentalnych składników rzeczywistości, Prószyński i S-ka, Warszawa, 2012.
  5. T. Gray, Wielka księga pierwiastków, z których zbudowany jest Wszechświat, Bellona, Warszawa, 2011.
  6. J. Challoner, Pierwiastki, czyli z czego zbudowany jest Wszechświat, Publicat, Poznań 2016.

Tomasz Pospieszny