Helyum, fosfor ve klor… Bu seferki bölümde bu üç elementi beraber konu almamızın sebebi, bölümün isminden de anlayacağınız üzere elementlerimizin isimlerinin spektrumlarıyla ve renkleriyle doğrudan bağlantılı olmaları. Ancak bu seferki konumuzu elementlerin fazlalığı sebebiyle 4 bölümde anlatıyoruz. Peki, bu bölümde ele alacağımız üç element ne zaman keşfedildi? Bu elementlerin hangi renklerle yahut spektrum analizleriyle ilişkisi vardı? Elementlerimizin keşfi sırasında ne gibi olaylar yaşandı? Elementlerin Hikâyesi 16. Bölüm başlıyor…
(intro)
1868 yılıydı… 18 Ağustos’ta Hindistan’ın Guntur kentinde meydana gelen tam güneş tutulması sırasında Fransız gökbilimci Jules Janssen bir spektrum ölçümü yapmıştı. Spektrum çizgilerini incelediği sırada parlak sarı bir çizgi fark etti. Bu çizginin sodyuma ait olduğunu düşünmüştü çünkü sodyum da aynı bunun gibi sarı bir çizgi veriyordu. Halbuki bu çizgi o çizgi değildi, çok yakın olsa da bu çizgi henüz keşfedilmemiş bir elemente aitti. Aynı yılın 20 Ekim’inde İngiliz gökbilimci Norman Lockyer da güneş spektrumunda sarı bir çizgi gözlemledi ve buna D3 adını verdi. Çünkü çizgiler D1 ve D2 olarak bilinen sodyumun Fraunhofer çizgilerine oldukça yakındı. 1814 yılında Fraunhofer, güneş spektrumundaki karanlık çizgileri fark etmiş ve bunların dalga boylarını teker teker ölçerek bir güneş spektrumu haritası oluşturmuştu. Bu çizgiler Güneş atmosferinde bulunan elementlerin Güneş’in ışıkyuvarından çıkan beyaz ışığı soğurmasıyla oluşuyordu. Bu çizgilere Fraunhofer’ın çalışmalarından dolayı Fraunhofer çizgileri denmekteydi. Lockyer her ne kadar yeni bulduğu çizgiyi sodyumun Fraunhofer çizgilerine benzer şekilde isimlendirmiş olsa da bunun yeni bir element olduğunun farkına varmıştı. Bu yüzden bu teorik elemente Güneş spektrumunda bulduğu için Yunancada Güneş anlamına gelen ἥλιος (helios) kelimesinden türeterek helyum ismini vermişti. Ancak -yum eki metallere ve bazı yarı metallere ait bir adlandırmaydı, geleneksel olarak ametaller için -yum eki kullanımından kaçınılmaktaydı. Dolayısıyla Lockyer ya elementin bir ametal olduğundan ya da geleneksel isimlendirmeden habersizdi. 1881’de İtalyan fizikçi Luigi Palmieri, Vezüv Yanardağı’nın son patlaması sırasında süblimleşen bir malzemeyi analiz ederken, Dünya’da ilk kez D3 spektral çizgisi aracılığıyla helyumu tespit etti. 26 Mart 1895’te İskoç kimyager Sir William Ramsay, kleveyit mineralini mineral asitlerle işleyerek Dünya üzerindeki helyumu izole eden ilk kişi olarak tanındı. Ramsay argon arıyordu ancak sülfürik asitle açığa çıkan gazdan nitrojen ve oksijeni ayırdıktan sonra, Güneş’in spektrumunda gözlemlenen D3 çizgisiyle eşleşen parlak sarı bir çizgi fark etti. Aynı yıl İsveç’in Uppsala kentindeki kimyagerler Per Teodor Cleve ve Abraham Langlet tarafından helyum, Ramsay’den bağımsız olarak izole edildi ve atom ağırlığını doğru bir şekilde belirlemek için yeterli miktarda gaz toplandı. Helyum ayrıca Ramsay’ın keşfinden önce Amerikalı jeokimyacı William Francis Hillebrand tarafından, uraninit mineralinin bir örneğini test ederken alışılmadık spektral çizgiler fark ettiğinde izole edildi. Ancak Hillebrand çizgileri nitrojene bağladı ve unvanı Ramsay’e kaptırdı. 1907’de ise Ernest Rutherford ve Thomas Royds bir radyasyon türü olan alfa ışımasında yayılan alfa parçacıklarının aslında helyum çekirdekleri olduğunu fark etti. Helyum gazı molekül ağırlığı olarak havayı içeren gazlara kıyasla çok daha hafif bir gazdı. Bu yüzden bu gazın molekülleri çok daha hızlı bir şekilde hareket edebilmekteydi. Ses dalgaları da moleküller üzerinden aktarılarak hareket ettiği için helyum ortamında yayılan ses normal hava içeren bir ortamda yayılan sesten çok daha hızlı hareket ediyordu. Ses dalgasının hızı arttığı için de formül gereği dalganın frekansı artıyor ve daha inceymiş gibi duyuluyordu. Hidrojen gazı helyumdan çok daha hafif olduğundan bu ses incelmesi olayı hidrojende çok daha fazla olacaktır. Ancak hidrojenle aynı deney yapılamamaktadır çünkü hidrojen tepkimeye girmeye çok yatkın bir element olup tehlikeli sonuçlar doğurabilir. Oysaki helyum soy bir gazdır ve üst düzey koşullar oluşturulmadığı sürece tepkimeye girmeye istekli değildir. Güneş spektrumundan doğan bu element işte böyle bir serüven yaşayarak periyodik tablodaki yerini almıştı.
İsmini spektrumuyla almış diğer bir elementimiz ise fosfor elementiydi. Bu element, antik zamanlardan sonra yeni keşfedilen ilk elementti. Pek çok kişi tarafından yakın zamanlarda başkaları tarafından da keşfedilmiş olabileceği düşünülse de elementin resmi keşfi 1669 yılında keşfi gerçekleştiren Alman simyacı Hennig Brand’e atfedilir. Felsefe taşının peşine düşen Brand, bir miktar idrarı berbat bir koku yayana kadar günlerce bekletti. Daha sonra bu idrarı macun kıvamına gelene kadar kaynattı. Bu oluşan macunu çok yüksek sıcaklıklara kadar ısıttı ve oluşan buharı yoğuşturmak üzere sudan geçirdi. Aslında elde etmeyi umduğu şey altındı, çünkü idrar da altın da sarıydı. Ancak elde ettiği şey bambaşkaydı, o fosforu bulmuştu. Bulduğu bu element karanlıkta dahi parlamaktaydı. Bu ilginç elementle karşılaşan Brand ona “phosphorus mirabilis” adını verdi. Phosphorus kelimesi Yunancada ışık anlamına gelen φῶς (phôs) yahut φωτ (phōt) kelimesi ile taşıyan, getiren anlamlarına gelen φέρω (phérō) kelimesinin birleşimiyle oluşmakta olup ışık getiren anlamına gelmekteydi. Mirabilis kelimesi ise Latincede mucizevi demekti. Yani Brand’in verdiği “phosphorus mirabilis” ismi mucizevi ışık getiren anlamına geliyordu. Brand bulduğu bu fosfor üretme yöntemini sır olarak saklamak istiyordu, ancak daha sonra üretim metodunun telifini Johann Daniel Kraft’a 200 thalere sattı. Kraft bu formülü aldıktan sonra bir süre Avrupa’yı turladı. İsveç’te olduğu sırada fosforun idrardan yapıldığı sırrı sızdırıldı ve 1678’de Johann Kunckel da fosfor üretmeye başladı. İngiltere’ye geldiğindeyse bugün ilk modern element tanımını yapan kişi olarak kabul ettiğimiz Robert Boyle ile tanıştı. Konuştukları sırada fosfor elementinden Boyle’a bahsetti ve bir şekilde insan vücuduna ait olan bir şeyden üretildiğini ağzından kaçırdı. Robert Boyle birkaç deneme yanılmadan sonra fosforun idrardan üretildiğini anladı ve o da fosfor üretmeye başladı. Fosfor elementi o zamana kadar keşfedilmiş 13. elementti ve 13 sayısının uğursuz kabul edilmesinden dolayı kimi zamanlar Şeytan’ın elementi olarak da nam salmıştı.
Bu bölüme konu aldığımız son elementimiz ise klor elementi. 900 yılı civarında yazılmış Arapça metinlerin muhtemel yazarları Cabir ibn Hayyan ve Ebu Bekir el-Razi, vitriol yani çeşitli metallerin hidratlı sülfatlarıyla beraber damıtıldığında hidrojen klorür üreten amonyak tuzu yani amonyum klorür ile deneyler yapıyorlardı. Buradan da görülebileceği üzere, klorür tuzları ile yapılan bu ilk deneylerde, gaz halindeki ürünlerin atıldığı görülüyordu ve hidrojen klorürün kimyasal kullanıma sunulabileceği keşfedilene kadar birçok kez klor üretilmiş olabilirdi. Bunun gibi ilk fark edilmeyen kullanımlardan bir başkası da yanlış bir şekilde Ebu Bekir el-Razi’ye atfedilen ve gerçek sahibi bilinmeyen 11 ya da 12. yüzyıla tarihlenen Arapça bir metinde geçtiği üzere cıvanın şap ve amonyum klorür yahut vitriol ve sodyum klorürün beraber ısıtılması sonucunda cıva (II) klorür veya simyadaki adıyla aşındırıcı süblimasyon olarak bilinen maddenin açığa çıkmasında yaşanmıştır. Diğer bir önemli gelişme ise “De inventione veritatis” yani Gerçeğin Keşfi Üzerine isimli kitapta Sahte Cabir’e atfedilen nitrik aside amonyum klorür ekleyerek altını çözen bir karışımın yani kral suyunun keşfidir. Sahte Cabir’e atfedilir çünkü o zamanlarda pek çok Arapça metin araştırılmadan Cabir bin Hayyan’a atfedilirdi. Kral suyunu gerçek Cabir bin Hayyan’ın mı yoksa başka bir Arap simyacının mı bulduğu bilinmiyor. Kral suyu, sürekli olarak serbest klor gazı içeren dumanlar çıkaran kararsız bir karışım olmasına rağmen, bu klor gazı Jan Baptist van Helmont tarafından 1630 yılında fark edilene kadar göz ardı edilmiştir. Element ilk kez 1774’te İsveçli kimyager Carl Wilhelm Scheele tarafından ayrıntılı olarak incelendi ve bu yüzden elementin resmi keşfi ona atfedilir. Scheele, piroluzit minerali içerisindeki manganez dioksiti hidrojen klorür ile tepkimeye soktu ve böylece klor gazını elde etti. Scheele, klorun birçok özelliğini gözlemledi: turnusol üzerindeki ağartma etkisi, böcekler üzerindeki ölümcül etki, sarı-yeşil renk ve kral suyuna benzer koku. Bir gaz olduğundan buna “filojistondan arındırılmış müriatik asit havası yani tuz ruhu havası” adını verdi. Klorun bir element olduğunu ise tespit edemedi. O zamanki yaygın kimyasal teoriye göre tüm asitler oksijen içermekteydi. Bu yüzden Claude Louis Berthollet gibi pek çok kimyager filojistondan arındırılmış müriatik asit havasının müriatisyum adındaki henüz keşfedilememiş bir elementin oksidi olduğunu düşünüyordu. 1809’da Joseph Louis Gay-Lussac ve Louis-Jacques Thénard, saf müriatisyum elementini serbest bırakmak için filojistondan arındırılmış müriatik asit havasını kömürle reaksiyona soktu. Ancak doğal olarak başarılı olamadılar ve filojistondan arındırılmış müriatik asit havasının bir element olma olasılığını değerlendirdikleri ancak ikna olmadıklarına dair bir rapor yayınladılar. 1810 yılında Sir Humphry Davy aynı deneyi tekrar denedi ve filojistondan arındırılmış müriatik asit havası adlı maddenin bileşik değil element olduğu sonucuna vardı. Sonuçlarını aynı yılın 15 Kasım’ında Royal Society’ye duyurdu. Bu yeni elemente rengine atıfla Yunancada sarımtırak soluk yeşil anlamına χλωρος (chlōros) kelimesinden türeterek klor adını verdi. “Tuz üreticisi” anlamına gelen “halojen” ismi ilk olarak 1811 yılında Johann Salomo Christoph Schweigger tarafından klor için kullanıldı. Bu terim daha sonra 1826’da Jöns Jakob Berzelius’un önerisi üzerine klorun bulunduğu 7A grubundaki elementleri yani flor, brom ve iyodu tanımlamak için genel bir terim olarak kullanıldı.
İşte bu isimleri spektrum, ışık ve renklerle doğrudan bağlantılı olan 3 element; helyum, fosfor ve klorun hikayesidir. Böylece 16. Bölümün de sonuna gelmiş olduk. Bir sonraki bölümde görüşmek üzere!
Kaynakça:
J. N. Lockyer, “Notice of an observation of the spectrum of a solar prominence”, Proceedings of the Royal Society of London, 1868
Clifford A. Hampel, The Encyclopedia of the Chemical Elements, New York: Van Nostrand Reinhold, 1968
Douglas R. Harper, Online Etymology Dictionary, “helium”, 29 Ekim 2018
Luigi Palmieri, “La riga dell’Helium apparsa in una recente sublimazione vesuviana”, Rendiconto dell’Accademia delle Scienze Fisiche e Matematiche, 1881
William Ramsay, “On a Gas Showing the Spectrum of Helium, the Reputed Cause of D3, One of the Lines in the Coronal Spectrum. Preliminary Note”, Proceedings of the Royal Society of London, 1895
William Ramsay, “Helium, a Gaseous Constituent of Certain Minerals: Part I & Part II”, Proceedings of the Royal Society of London, 1895
P.T. Clève, “Sur la présence de l’hélium dans le clévéite”, Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des sciences, 1895
N. A. Langlet, “Das Atomgewicht des Heliums”, Zeitschrift für Anorganische Chemie, 1895
M. J. Ackerman & G. Maitland, “Calculation of the relative speed of sound in a gas mixture”. Undersea Biomed Res, 1975
Mary Elvira Weeks, “The discovery of the elements. II. Elements known to the alchemists”. Journal of Chemical Education, 1932
Richard Beatty, Phosphorus, Marshall Cavendish Books, 2000
G. D. Parkes & J. W. Mellor, Mellor’s Modern Inorganic Chemistry, Longman’s Green and Co., 1939
H. P. Jarvie & A. N. Sharpley & D. Flaten & P. J. A. Kleinman, “Phosphorus mirabilis: Illuminating the Past and Future of Phosphorus Stewardship”, Journal of Environmental Quality, 2019
J. M. Stillman, The Story of Alchemy and Early Chemistry, New York: Dover, 1960
Paul Kraus, Jâbir ibn Hayyân: Contribution à l’histoire des idées scientifiques dans l’Islam. I. Le corpus des écrits jâbiriens. II. Jâbir et la science grecque. Cairo: Institut Français d’Archéologie Orientale, 1942–1943
Robert P. Multhauf, The Origins of Chemistry. London: Oldbourne, 1966
Vladimír Karpenko & John A. Norris, “Vitriol in the History of Chemistry”, Chemické listy, 2002
Norman N. Greenwood & Alan Earnshaw, Chemistry of the Elements, Butterworth-Heinemann, 1997
Carl Wilhelm Scheele, “Om Brunsten, eller Magnesia, och dess Egenskaper”, Kongliga Vetenskaps Academiens Handlingar, 1774
Aaron John Ihde, The development of modern chemistry, Courier Dover Publications, 1984
Gay-Lussac & Thenard, “Extrait des mémoires lus à l’Institut national, depuis le 7 mars 1808 jusqu’au 27 février 1809”, Mémoires de Physique et de Chimie de la Société d’Arcueil, 1809
Humphry Davy, “The Bakerian Lecture. On some of the combinations of oxymuriatic gas and oxygene, and on the chemical relations of these principles, to inflammable bodies”, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1811
J.S.C. Schweigger, “Nachschreiben des Herausgebers, die neue Nomenclatur betreffend”, Journal für Chemie und Physik, 1811
H. A. M. Snelders, “J. S. C. Schweigger: His Romanticism and His Crystal Electrical Theory of Matter”, Isis, 1971