تاریخچه پیدایش فلزات کمیاب ـ بخش اول “گالیم”

دیمیتری مندلیف در ماه مارس 1869 قانون تناوب را که حرکت مطلق عناصر شیمیایی حاکم است ، کشف کرد . این کشف از طرف بعضی از دانشمندان با برخوردی طعنه آمیز و خصومت بار مواجه گردید به طوری که حتی شیمیدان برجسته ای چون رابرت بنزن “یکی از خالقین تجزیه ی طیفی ” در خصوص کشف مندلیف این اظهاریه ی طعنه آمیز را داشت : هر کسی می تواند چنین جدولی را رسم کرده و تعدادی ارقام از مجلات رنگین بورس را در آن ها جای دهد . مندلیف در همان سال 1869 همچنان در صدد اثبات کشف خود بود و با برجستگی و به روشنی از عهده ی آن بر آمد . اهمیت قانون تناوب در این نکته نهفته بود که : آن فقط یک قانون کلی نبود که اطلاعات موجود را جمع آوری کرده باشد بلکه اطلاعات نوینی درباره ی عناصر شناخته شده و شناخته نشده ارائه می داد و این اطلاعات کمک فراوانی به کشف عناصر جدید نمود . کشف مندلیف رفته رفته از یک جدول محدود و کوچک به یک جزیره ی بزرگ در دریای بی کران علم شیمی برای محققین و کاوشگران تبدیل شد . بدین ترتیب عناصر جدید بر اساس قانون مندلیف کشف گردید . قانون تناوب مندلیف قادر بود کشف بیش از ده ها عنصر جدید را پیشگویی نماید .
اولین عنصری که صحت و درستی قانون مندلیف را ثابت می کند ، گالیم می باشد . در پایان سال 1870 مندلیف در سخنرانی خود در یک جلسه ی انجمن فیزیکی ـ شیمیایی روسیه گفت : در ردیف پنجم از گروه سوم ، مکانِ عنصری است که هنوز کشف نشده است ولی به طور قطع در جایی از طبیعت وجود دارد و دیر یا زود کشف خواهد شد . او خواص عنصر جدید را جز به جز شرح داد و به طور دلخواه آن را”Eka-Aluminum زیر آلومینیوم “نامید . مکان آن در جدول تناوبی زیر آلومینیوم بود که بعد از کشف گالیم نامیده شد و عدد اتمی آن 31 بود . مندلیف حتی اظهار اطمینان کرد که آن را ممکن است به وسیله تجزیه ی طیفی کشف شود . در سال 1875 شیمیدان فرانسوی به نام Lecoq de boisbaudkanیک مطالعه ی طیفی روی نمونه ای از ترکیبات روی “یک ماده معدنی شناخته شده از pieerefitte در پیرین ها ” انجام داد و یک خط بنفش عجیب کشف کرد که گویای این امر بود که ماده معدنی محتوی یک عنصر ناشناخته شیمیایی است . اما کشف و مشاهده ی خط بنفش در آزمایش طیفی فقط یک طرف قضیه بود و طرف دیگر ، جدا کردن عنصر جدید از ترکیب موجود بود . این کار به هیچ وجه امر آسانی نبود به خصوص وقتی که حجم آن در ترکیب روی بسیار ناچیز بود . با وجود این او موفق به جدا کردن آن گردید . او طی آزمایشات متعددی موفق شد ذره ای به وزن 0.1 گرم از فلز جدید به دست آورد . مشکل ترین قسمت کار دانشمند فرانسوی نامگذاری فلز جدید بود . او نام آن را به افتخار وطنش گالیم نامید “گالیا اسم لاتین فرانسه است “.
نام گالیم با سرعت نظر تمام دانشمندان را به خود جلب کرد . در حقیقت بعضی از افراد بد خواه شروع به افشای این موضوع کردند که این دانشمند فرانسوی زرنگی کرده و در خفا نام خود را روی فلز جدید گذاشته است . آن ها گفتند Gallus در لاتین به معنای Cock است و به زبان فرانسه همان Lecoq می باشد . به سرعت خبر کشف گالیم در یک مقاله از روزنامه آکادمی علوم فرانسه منتشر شد . وقتی که مندلیف این خبر را شنید ناگهان دریافت که این همان عنصری است که او پیش بینی کرده و نامش را Eka-Aluminum گذاشته بود و در یک خانه ی جدول خود جای آن را خالی گذاشته بود . مندلیف در یک نامه به آکادمی علوم فرانسه نوشت : روش کشف و جدا کردن این عنصر و همچنین خواص آن به من این اطمینان را می دهد که بگویم این عنصر کشف شده همان زیر آلومینیوم است . گذشته از این خواص زیر آلومینیوم پیشگویی شده توسط مندلیف و گالیم واقعا موجود و کشف شده به طور شگفت آوری شبیه به هم بودند فقط تنها تفاوت آن ها در وزن مخصوصشان بود . طبق نظریه ی مندلیف وزن مخصوص آن می بایست در حدود باشد و بنابر نظریه ی شیمیدان فرانسوی این مقدار باید حدود می بود . بالاخره روشن شد که دانشمند فرانسوی اشتباه می کرد ، او بار ها چند دانه گالیم را جدا کرد و آن ها را به دقت تمیز کرد و به آزمایش و تحقیق جدیدی دست زد و این بار دریافت که وزن مخصوص مخصوص گالیم واقعا نزدیک به 6 است و آشکارا درستی و صحت نظریه ی همکار روسی خود را تصدیق نمود . او نوشت : دیگر احتیاجی به اثبات من نیست و نتایج نظری و اهمیت کشف مندلیف را در مورد وزن مخصوص گالیم تایید می کنم . بیش از نیم قرن از کشف گالیم و اعلام آن به جهان توسط دانشمند فرانسوی گذشته بود ، با این حال جهان صنعتی تولد و پیدایش آن را نادیده گرفته بود به عنوان مثال جلد چهارم دایره المعارف بزرگ شوروی “چاپ اول که در سال 1929 منتشر شده بود ” در مورد گالیم فقط چهار کلمه نوشته بود : به کار برده نشده در تکنولوژی و فقط همین و بس !!! نکته ی مهم اینجاست که پیدا کردن گالیم دردسر زیادی ندارد و اولین معدن گالیم در جنوب شرقی آفریقا کشف شد . هالیت یک ماده معدنی است که دارای 37 درصد گالیم می باشد . دانشمندان کشف کرده اند که خاکستر زغال سنگ نسبتا غنی از گالیم است طبق نظریه ی دانشمندان انگلیسی یک تن زغال سنگ معدنی به طور متوسط شامل 5 گرم گالیم است .
نکته ی جالب این است که نمی توان گالیم را در دست گرفت زیرا نقطه ذوب آن پایین است و سریعا ذوب می شود نقطه ذوب این فلز نقره ای رنگ و نرم که می توان آن را با چاقو برید فوق العاده پایین است در حدود 29.78
دلیل دیگر این امر که نمی توان گالیم را در دست نگه داشت آن است که این فلز سمی است حتی بیشتر از جیوه و نگهداری آن ممکن است اثرات ناگواری به دنبال داشته باشد . نقطه ذوب پایین گالیم این فلز را پایه و اساس بسیاری از آلیاژ های زودگداز که می باید به صورت مایع باقی بمانند ، قرار می دهد . به عنوان مثال آلیاژی مرکب از 67 درصد گالیم و 20.5 درصد ایندیم و 12.5 درصد قلع حتی در درجه حرارت اتاق هم نمی تواند به صورت جامد باقی بماند )نقطه ذوب این آلیاژ در حدود است ” .چنین آلیاژ هایی کاربرد زیادی در مهندسی و در موقعیت های ویژه و در سیستم های اعلام خطر و آتش سوزی و … دارند . برای مثال به محض این که هوای داخل ساختمان بیشتر از حد مجاز گرم شود آلیاژ گالیم که به صورت لوله ای در یک دستگاه پر شده است شروع به ذوب شدن می کند و با بستن اتصالات برقی و ایجاد صدای آژیر خطر و یا روشن کردن دستگاه ضد حریق عمل کند . همین خاصیت ذوب پایین گالیم و آلیاژ های آن باعث شده است که از آن در بستن درز ها برای ایجاد خلاء به جای جیوه به کار بروند . لحیم های جیوه بیشتر از لحیم های جیوه ، خلاء را حفظ می کنند . آلیاژ های گالیم با ایندیوم و قلع به عنوان نرم کننده ی بین لایه ای در وصل کردن قسمت های ساخته شده از کوارتز و شیشه و سرامیک و همچنین در زنجیر های فشار مورد استفاده قرار می گیرند . یک روکش از گالیم ـ ایندیوم برای بلبرینگ ها به طور قابل ملاحظه ای عمر و دوام آن ها را زیاد می کند . همانطور که در قبل گفته شد گالیم سمی است ولی همراه با نیکل و کبالت سمیت طبیعی خود را از دست می دهد و حتی در پر کردن دندان از کیفیت بالایی برخوردار است . کاتد در لامپ های ماورا بنفش که در طب مورد استفاده قرار می گیرند قبلا از جیوه ساخته می شد ولی حالا از آلیاژ گالیم ـ آلومینیوم ساخته می شود زیرا آلیاژ فوق قدرت تشعشع اشعه ی ماورا بنفش بیشتری دارد . اغلب فلزات در درجه معینی ذوب و در درجه معینی منجمد می شوند خاصیت منحصر به فرد گالیم آن است که می تواند ماه ها به صورت مایع ، حتی در شرایط سرمای فوق العاده زیاد باقی بماند . اگر یک قطره گالیم روی یخ بیفتد برای مدت زیادی منجمد نخواهد شد و هنگامی که منجمد می شود به طور قابل توجهی افزایش حجم دارد . بدین جهت ظروف فلزی یا سرامیکی نباید برای نگهداری مایع گالیم در نظر گرفته شود چون به محض انجماد گالیم ظروف نامبرده ترک می خورند . از این جهت برای نگهداری گالیم معمولا آن را در ظروف ژلاتینی و یا در ظروف استوانه ای لاستیکی نگهداری می کنند دانشمندان پیشنهاد می کنند که از خاصیت ازدیاد حجم گالیم در هنگام انجماد در سیستم های فشار قوی استفاده شود . تمام فلزات به جز آنتیوان و بیسموت هنگام انجماد مقداری از وزنشان را در نتیجه ی افزایش حجم از دست می دهند . مزیت اصلی گالیم در این است که در درجه حرارت های خیلی زیاد همچنان به صورت مایع باقی می ماند و در این مورد هیچ فلز دیگری که دارای نقطه ذوب پایین باشد نمی تواند با آن برابری کند . گالیم مایع تنها در درجه حرارت شروع به جوشیدن می کند . همین خاصیت بسیار شگفت انگیز است که نقش اصلی گالیم را در تکنولوژی روشن می سازد . دماسنج های گالیم را می توان برای سنجش و اندازه گیری درجه حرارت های بالا به راحتی به کار برد . دماسنج های جیوه ای قادر به انجام این کار نیستند چرا که جیوه در درجه حرارت به راحتی می جوشد همچنین فشار سنج های گالیم برای اندازه گیری فشار های قوی به کار می روند . نقطه ذوب پایین همراه با درجه جوش بالا ، گالیم را به عامل بالقوه ی انتقال گرما برای راکتور های هسته ای تبدیل می سازد . بر عکس گالیم مایع یار و یاور خوبی برای مصالح ساختمانی نیست زیرا گالیم در درجه حرارت بالا بیشتر فلزات و آلیاژ ها را حل کرده و منهدم می کند بدین دلیل سدیم و پتاسیم در حال حاضر نقش مهمی در انتقال گرما بازی می کنند . اما برای دانشمندان یافتن راهی برای مقابله با این مشکل ممکن و عملی است : برای مثال دانشمندان دریافتند که عناصری مانند تنگستن و تانتالم می توانند حتی در درجه حرارت به آسانی در مقابل تهاجم گالیم مقاومت کنند و خطر را از خود دفع نمایند . همچنین دریافتند که با افزودن مقدار کمی گالیم فعال “در حدود ۵ درصد ” به منیزیم بر شدت مقاومت منیزیم در برابر پوسیدگی و همچنین بر استحکام آن می افزاید . یکی دیگر از ویژگی های عجیب و شگفت آور گالیم آن است که مقاومت الکتریکی بلور های گالیم به مقدار خیلی زیادی به چگونگی عبور جریان برق از میان آن ها “به طور افقی یا عمودی ” بستگی دارد . نسبت مقاومت ماکزیمم به مینیمم آن ۷ است که این مقدار خیلی بیشتر از هر فلز دیگری می باشد . ضریب انبساط این فلز به وسیله یکی از سه عامل مربوط به جریان برق تغییر می کند . گالیم به علت قدرت برجسته اش در انعکاس نور کاربرد موفقیت آمیزی در ساختن آینه ها دارد . اینکه آینه های ساخته شده از گالیم حتی در درجه حرارت های بالا نیز تار نمی شوند از اهمیت زیادی برخوردار است . اکسید گالیم در ساختن آینه های مخصوصی که بتواند اشعه ی مادون قرمز را به طور آزاد عبور دهند مورد استفاده قرار می گیرد . صفت مشخصه ی این آینه ها ضریب انکسار بالا می باشد . هر گاه گالیم بسیار خالص را به ژرمانیم و سیلیسیم اضافه کنیم ، خواص نیمه هادی آن ها به شدت افزایش می باید همچنین بعضی از ترکیبات گالیم با آنتیموان و فسفر و به خصوص آرسنیک خواص نیمه هادی آن ها را آشکار می کند . امروزه یکی از موارد استعمال ترکیبات گالیم در کامپیوتر ها و رادار ها و ترموکوپل ها و در باطری های نوری و در اجسام نیمه هادی برای تجهیزات سفینه برای فضانوردان می باشد .

منبع : کتاب درباره فلزات کمیاب چه می دانید ؟ ـ نویسنده : ونتکی ـ انتشارات میر “گوتنبرگ ”

تهیه کننده: ایمان انصاری