Από το eka boron… στο σκάνδιο:  Τo στοιχείο που συμπλήρωσε τον περιοδικό πίνακα – Μία ιστορία για το σκάνδιο, το γερμάνιο και το γάλλιο

Η περασμένη εβδομάδα επεφύλασσε μία σημαντική είδηση για τη θέση της Ελλάδας σε ό,τι αφορά τα κρίσιμα ορυκτά και τις σπάνιες γαίες, με την ένταξη του έργου της Metlen για το γάλλιο για στα 47 ευρωπαϊκά projects στρατηγικής σημασίας.

Στο πλαίσιο αυτό, ο πρόεδρος και διευθύνων σύμβουλος της εταιρείας, Ευάγγελος Μυτιληναίος υποδέχθηκε στις εγκαταστάσεις της Metlen στη Βοιωτία τον εκτελεστικό αντιπρόεδρο της Ευρωπαϊκής Επιτροπής, Στεφάν Σεζουρνέ, και τον υπουργό Ανάπτυξης, κ. Τάκη Θεοδωρικάκο.

Εκεί, ο κ. Μυτιληναίος αποκάλυψε ότι μετά το γάλλιο σειρά έχουν δύο άλλα στοιχεία εξίσου σημαντικά και στρατηγικά: το σκάνδιο και το γερμάνιο.

Και τα τρία αυτά τα στοιχεία έχουν ένα κοινό σημείο, που τους συνδέει με την ιστορία τους: υπήρξαν μερικά από κομμάτια που έλειπαν από το παζλ του Μεντελέγιεφ και την ύπαρξη των οποίων είχε ονειρευτεί και προβλέψει…

Το όνειρο

 «Είδα ένα όνειρο με έναν πίνακα όπου όλα τα στοιχεία βρίσκονταν στη θέση τους, όπως έπρεπε. Ξυπνώντας, αμέσως τον κατέγραψα σε μια κόλλα χαρτί«.

Το 1869 ο  χημικός Ντμίτρι Ιβάνοβιτς Μεντελέγιεφ δεν σκεπτόταν τίποτε άλλο εκτός από το πρόβλημα των χημικών στοιχείων, υποστηρίζοντας σε αυτά κρυβόταν το αλφάβητο που συνέθετε τη γλώσσα του σύμπαντος. Μέχρι τότε είχαν ανακαλυφθεί εξήντα τρία διαφορετικά χημικά στοιχεία: από το χαλκό και τον χρυσό, στοιχεία γνωστά ήδη από τους προϊστορικούς χρόνους, μέχρι το ρουβίδιο, το οποίο είχε ανιχνευθεί πριν από λίγο καιρό στην ατμόσφαιρα του ήλιου. Ήταν γνωστό πως το κάθε στοιχείο αποτελείτο από διαφορετικά άτομα και πως το κάθε άτομο είχε τις δικές του μοναδικές ιδιότητες. 

Και όπως υπογραμμίζει» ο Paul Strathern  στο ββλίο του  «Το όνειρο του Μεντελέγιεφ, Η αναζήτηση των στοιχείων από την Αλχημεία στη Χημεία», ο Μεντελέγιεφ, καθηγητής χημείας στο Πανεπιστήμιο της Αγίας Πετρούπολης, ήταν πολύ γνωστός για τις εγκυκλοπαιδικές του γνώσεις σχετικά με τα στοιχεία. Τα γνώριζε όπως ένας διευθυντής σχολείου γνωρίζει τους μαθητές του: τους άστατους χαρακτήρες που είναι κοινωνικά απροσάρμοστοι, τους νταήδες που φοβερίζουν τους πιο αδύναμους, τους πειθαρχικούς που τους έφερνε εύκολα βόλτα, τους τύπους με την ανεξήγητα μειωμένη απόδοση και τους επικίνδυνους που χρειάζονται παρακολούθηση. Παρά τις προσπάθειές του, αδυνατούσε να διακρίνει μια συνολική κατευθυντήρια αρχή μέσα σε αυτόν τον κυκεώνα των χαρακτηριστικών. Θα έπρεπε κάπου κάτι να υπάρχει. Το σύμπαν του επιστήμονα δεν μπορούσε απλά και μόνον να βασίζεται σε μια τυχαία συλλογή μοναδικών σωματιδίων. Κάτι τέτοιο θα ήταν αντιεπιστημονικό…..»

Εάν δεν υπήρχε κάποιο στοιχείο που να ταιριάζει στο πρότυπό του, πολύ απλά σε εκείνο το σημείο άφηνε κενό. Και προέβλεψε ότι μια μέρα αυτά τα κενά θα συμπληρώνονταν από στοιχεία που ακόμα δεν είχαν ανακαλυφθεί.

Για να δώσει προσωρινά ονόματα στα προβλεπόμενα στοιχεία του, ο Ντμίτρι Μεντελέεφ χρησιμοποίησε τα προθέματα eka από τα σανσκριτικά ονόματα των ψηφίων 1, 2 και 3.

Έτσι προέκυψαν το eka-boron, το μετέπειτα σκάνδιο, το eka-aluminium, γάλλιο και το eka-silicon, γερμάνιο.

Η ιστορία του σκάνδιου

Για παράδειγμα στην ένατη οριζόντια γραμμή (την ομάδα του Βορίου, που άρχιζε με το Β=11), προέβλεψε ότι υπήρχε ένα έως τότε άγνωστο στοιχείο μεταξύ του αλουμινίου (Αl=27), και του ουρανίου (Ur=116).

Αυτό το στοιχείο το ονόμασε (eka boran, προβλέποντας ότι όταν θα ανακαλυφθεί, το ατομικό του βάρος θα είναι 68. Προχώρησε ακόμη παραπέρα προβλέποντας ότι όταν θα ανακαλυφθεί, το ατομικό του βάρος θα έπρεπε να βρίσκονται κάπου μεταξύ των ιδιοτήτων των διπλανών του στοιχείων αλουμίνιο και ουράνιο.

Η ιστορία της ανακάλυψης του σκανδίου ξεκινά με τον Σουηδό χημικό Lars Fredrik Nilson . Το 1879, ο Nilson διεξήγαγε πειράματα στα στοιχεία σπάνιων γαιών που βρέθηκαν στα ορυκτά ευξενίτης και γαδολινίτης. Κατά τη διάρκεια των ερευνών του, ο Nilson απομόνωσε ένα νέο οξείδιο από τον ευξενίτη, το οποίο αρχικά πίστευε ότι ήταν το ήδη γνωστό στοιχείο ύττριο .

Ωστόσο, περαιτέρω ανάλυση αποκάλυψε ότι αυτό δεν ήταν ύττριο αλλά ένα νέο στοιχείο. Το 1879, ο Nilson ονόμασε το νεοανακαλυφθέν στοιχείο scandium , αποτίοντας φόρο τιμής στη Σκανδιναβία, την περιοχή της Ευρώπης από την οποία καταγόταν. Η ανακάλυψη του σκανδίου από τον Nilson ήταν πρωτοποριακή, καθώς όχι μόνο αποκάλυψε ένα νέο στοιχείο αλλά παρείχε επίσης εμπειρική υποστήριξη για τις προβλέψεις του περιοδικού πίνακα του Mendeleev.

Προβληματισμός

Μετά την ανακάλυψη του Nilson, η ύπαρξη του σκανδίου αντιμετώπισε αρχικό σκεπτικισμό στην επιστημονική κοινότητα.

Μόλις το 1907 ο Σουηδός χημικός Per Teodor Cleve απομόνωσε ανεξάρτητα το σκάνδιο από τον ευξενίτη και επιβεβαίωσε οριστικά την ύπαρξή του. Το έργο του Cleve χρησίμευσε ως κριτική επικύρωση των ευρημάτων του Nilson και σταθεροποίησε τη θέση του σκανδίου στον περιοδικό πίνακα.

Ιδιότητες και Χαρακτηριστικά

Καθώς η ύπαρξη του σκανδίου έγινε αποδεκτή, οι επιστήμονες έστρεψαν την προσοχή τους στην κατανόηση των ιδιοτήτων και των χαρακτηριστικών του . Το σκάνδιο είναι ένα μέταλλο μετάπτωσης με ατομικό αριθμό 21 και σύμβολο Sc. Τα μοναδικά χαρακτηριστικά του περιλαμβάνουν μια σχετικά χαμηλή πυκνότητα, υψηλό σημείο τήξης και την ικανότητα να σχηματίζει διάφορες καταστάσεις οξείδωσης. Αυτά τα χαρακτηριστικά θα συνέβαλαν αργότερα στις ποικίλες εφαρμογές του στη βιομηχανία και την τεχνολογία.

Η κύρια εφαρμογή του σκανδίου είναι στα κράματα με αλουμίνιο με τα οποία το αλουμίνιο αποκτά νέες σημαντικές ιδιότητες όπως να γίνεται πιο ελαφρύ και πιο ανθεκτικό, ιδιαίτερα σημαντικές την εποχή της εξοικονόμησης ενέργειας στις μεταφορές (χρήση σε αυτοκίνητα, αεροπλάνα) και της ενεργειακής μετάβασης.

Κρίσιμες τεχνολογίες

Το υπερπολύτιμο σκάνδιο είναι απαραίτητο για πολλές και κρίσιμες τεχνολογίες:

• Μονάδες παραγωγής ρεύματος τελευταίας τεχνολογίας και ανώτερης απόδοσης.
• Υπερ-αποδοτικά λέιζερ.
• Εξαιρετικά ανθεκτικά & ελαφρά κράματα αλουμινίου για εφαρμογές αεροδιαστημικής.

Το σκάνδιο έχει κάποιες εντυπωσιακές ιδιότητες που το κάνουν περιζήτητο για πολλές από τις εφαρμογές νέας τεχνολογίας. όπως σε μονάδες παραγωγής ρεύματος τελευταίας τεχνολογίας και λαμπτήρες αλογόνου.

Το γάλλιο

Ένα ακόμα κενό στοιχείο ανακάλυψε ένας γάλλος χημικός, ο Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran το 1874, και το ονόμασε γάλλιο.  Το γάλλιο πήρε το όνομά του από την Gallia, παλιά λατινική ονομασία της Γαλλίας. Ανεπιβεβαίωτες φήμες εκείνης της εποχής λένε ότι το όνομα γάλλιο μπορεί να προέρχεται από το όνομά του “Λε Κοκ” (Le Coq) που στα λατινικά (γκάλιουμ) σημαίνει πετεινός, αρσενική γαλοπούλα, γάλος. Στην ελληνική γλώσσα η ονομασία “Γάλλιον” όπως αποδόθηκε το “Γκάλιουμ”, ή “Γκάλιαμ”, αναφέρεται από το 1885 από τον Καθηγητή του Πανεπιστημίου Αθηνών Αναστάσιο Δαμβέργη (1857-1920).

Το μεγαλύτερο μέρος του μετάλλου παράγεται σήμερα ως παραπροϊόν κατά την επεξεργασία της αλουμίνας που προέρχεται από τον βωξίτη. Μικρό ποσοστό παράγεται από την επεξεργασία των καταλοίπων της εξαγωγής ψευδαργύρου από τον σφαλερίτη αλλά και από την ιπτάμενη τέφρα.

To γερμάνιο

Ο Ντμίτρι Μεντελέεφ προέβλεψε την ύπαρξη του γερμανίου το 1869 όταν ονόμασε το στοιχείο με αριθμό 32 Eka πυρίτιο. Μόλις 17 χρόνια αργότερα, ένας Γερμανός χημικός ονόματι Clemens A. Winkler επιβεβαίωσε τη θεωρία του Mendeleev αφού ανακάλυψε και απομόνωσε το γερμάνιο από το ορυκτό του αργυροδίτη.

Οι επιστήμονες έκαναν πολλή έρευνα για τις ιδιότητες του γερμανίου κατά τη δεκαετία του 1920. Τα ευρήματά τους άνοιξαν το δρόμο για την ανάπτυξη γερμανίου υψηλής καθαρότητας, μονοκρυστάλλου που τελικά χρησιμοποιήθηκαν ως δίοδοι ανόρθωσης σε δέκτες ραντάρ μικροκυμάτων.

Η αξία του γερμανίου αναγνωρίστηκε τον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο

Κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου έγινε εμφανής η ανάγκη επίτευξης υψηλής ανάλυσης από δέκτες ραντάρ. Ένας Αμερικανός φυσικός ονόματι Karl Lark-Horovitz κατέγραψε τις ιδιότητες του γερμανίου και τόνισε τη σχετικά υψηλή σταθερότητα και το χαμηλό σημείο τήξης του στοιχείου.

Τα ευρήματά του οδήγησαν στην ανάπτυξη ανορθωτών σημείων επαφής γερμανίου που χρησιμοποιήθηκαν για δέκτες ραντάρ κατά τη διάρκεια του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου. Το έργο του Lark-Horovitz στη φυσική στερεάς κατάστασης έπαιξε κρίσιμο ρόλο στην εφεύρεση του πρώτου τρανζίστορ .

Τα πρώτα τρανζίστορ κατασκευάστηκαν με χρήση γερμανίου

Η πρώτη εμπορική εφαρμογή του γερμάνιου ήρθε αμέσως μετά τον πόλεμο όταν οι John Bardeen, Walter Brattain και William Shockley εφηύραν το πρώτο τρανζίστορ στα Bell Labs το 1947. Η χρήση γερμανίου για την παραγωγή τρανζίστορ έγινε το πρότυπο τα επόμενα χρόνια. Τα τρανζίστορ που περιείχαν γερμάνιο χρησιμοποιήθηκαν σε στρατιωτικούς υπολογιστές, εξοπλισμό μεταγωγής τηλεφώνου, φορητά ραδιόφωνα και βοηθήματα ακοής.