Cerita dan Kontroversi dari Penemuan Unsur-unsur Kimia

Kita semua akrab dengan kisah-kisah kemajuan ilmiah yang mencapai puncaknya dengan ‘momen eureka’, ketika ilmuwan heroik membuat penemuan terkenal itu. Seperti legenda Archimedes yang dikatakan telah meneriakkan ‘eureka!’ Setelah menemukan hukum daya apung di kamar mandinya kisah-kisah ini biasanya berfokus pada satu orang yang cerdas, pada waktu dan tempat tertentu.

Penemuan ahli kimia Rusia Dmitri Mendeleev tentang sistem periodik sering digambarkan dengan cara ini dengan semua elemen tiba-tiba jatuh ke dalam urutan yang bermakna sesuai dengan berat atom dan sifat kimianya. Faktanya, proses membangun tabel periodik memakan waktu beberapa dekade dan memasukkan banyak perkembangan ilmiah yang akhirnya menemui jalan buntu. Jadi apa penemuan ilmiah, dan seberapa dekat legenda menggambarkan fakta sejarah?

Dalam artikel ini, kita akan melihat lebih dekat pada realitas penemuan ilmiah, dengan referensi khusus pada cerita-cerita dari beberapa elemen kimia. Selain mengungkap beberapa aspek yang kurang diketahui dari penemuan-penemuan ini, kisah-kisah ini mengilustrasikan kompleksitas yang melekat dari setiap kisah penemuan dalam sains, baik secara historis maupun saat ini.

Penemuan dan kebangsaan
Satu bidang kompleksitas yang sering terjadi adalah pengaitan penemuan unsur kimia dengan negara tertentu. Ide ini digambarkan dalam gambar dibawah ini yaitu versi tabel periodik yang menunjukkan negara penemuan untuk setiap unsur.

Penggambaran seperti itu menunjukkan bahwa ada momen penemuan yang tepat untuk setiap unsur (mungkin dengan rasa persaingan nasional yang mendasarinya). Di sini, misalnya, radium (88) dan polonium (84) diperlihatkan sebagai penemuan Prancis. Meskipun benar bahwa penemuan itu terjadi di Prancis, ilmuwan utama, Marie Skłodowska Curie, adalah orang Polandia, dan mineral bijih uranium yang darinya zat-zat baru itu diekstraksi berasal dari sebuah kota yang sekarang berada di Republik Ceko, yang pada waktu itu merupakan bagian dari Kekaisaran Austria-Hongaria.

Peta geopolitik yang bergerak juga menyebabkan ambiguitas dalam kasus elemen tellurium (52). Ini ditunjukkan dengan bendera Rumania, karena Franz-Joseph Müller von Reichenstein, yang pertama kali mencurigai adanya logam yang tidak diketahui dalam bijih yang darinya unsur ini kemudian diekstraksi, dan bijih itu sendiri, keduanya berasal dari tempat yang sekarang Rumania. Namun, Rumania kemudian menjadi bagian dari kekaisaran Austria-Hongaria. Pengaitan penemuan dengan von Reichenstein juga kontroversial, karena telurium pertama kali diisolasi pada tahun 1789 oleh kimiawan Jerman Martin Heinrich Klaproth, yang juga mengusulkan nama telurium (Weeks, 1968). Tetapi menghubungkan penemuan itu dengan Jerman juga akan menjadi masalah, karena Jerman sebagai negara tidak ada sampai lebih dari 80 tahun kemudian.

Oksigen: satu penemuan – atau tiga?

Salah satu unsur yang diakui kontroversi penemuan umumnya adalah oksigen. Ahli kimia Inggris Joseph Priestley mencirikan beberapa jenis ‘udara’, atau gas, antara 1772 dan 1780. Ketika ia memanaskan apa yang disebut red calx atau mercury oksida (HgO), ia memperoleh jenis udara yang menyenangkan untuk bernapas, dan yang mendukung pembakaran jauh lebih baik daripada udara normal atau jenis ‘udara’ lainnya yang diketahui. Dia menyebut gas ‘udara dephloganggih’, karena diyakini bahwa phlogiston dikeluarkan dari zat ketika mereka terbakar. Karena jenis udara baru mampu mendukung pembakaran lebih baik daripada udara lainnya, itu jelas sama sekali tanpa phlogiston.

Antoine-Laurent Lavoisier, orang Prancis yang mereformasi kimia pada akhir abad ke-18, juga bereksperimen dengan ‘udara’. Ketika mereka bertemu pada 1774, Priestley memberi tahu Lavoisier tentang eksperimennya sebelum dipublikasikan. Lavoisier mengulangi uji coba merkuri dan menyimpulkan yang sama: gas baru telah diproduksi. Namun, ia menolak untuk menerima teori phlogiston, sebagai gantinya menamai gas ‘oksigen’ (yang berarti ‘penghasil asam’ dalam bahasa Yunani). Lavoisier memandang oksigen sebagai unsur, yaitu salah satu unsur dasar materi dan meluncurkan teori pembakaran oksigen, yang sampai sekarang masih digunakan.

Beberapa tahun sebelum Priestley dan Lavoisier melakukan percobaan mereka, ahli kimia Swedia Carl Wilhelm Scheele telah menemukan jenis ‘udara’ yang sama, menyebutnya ‘udara api’, karena mendukung pembakaran dengan sangat baik. Namun, ia gagal mempublikasikan temuannya sampai 1777.

Lantas, siapa yang patut dikreditkan dengan penemuan oksigen, dan untuk pencapaian apa? Scheele, yang pertama kali melakukan percobaan untuk mendapatkan gas baru; Priestley, yang pertama kali menerbitkan karya tentang ‘udara’ baru; atau Lavoisier, yang menempatkan gas dalam konteks kimia baru dan siapa yang akhirnya mengidentifikasinya sebagai unsur? Pada Gambar sistem periodik berdasarkan negara diatas, ketiga bendera muncul di tempat untuk oksigen (8) dalam tabel periodik, menunjukkan bahwa kontroversi ini belum diselesaikan.

Radon: elemen dan isotop
Penemuan radioaktif pada pergantian abad ke-20 dengan cepat memunculkan banyak zat radioaktif baru. Namun, butuh waktu untuk menyelidiki zat yang baru ditemukan dan untuk mengetahui apa sebenarnya radioaktivitas itu. Mendeleev telah membangun sistem periodiknya dengan prinsip bahwa unsur-unsur adalah kesatuan yang stabil, tetapi pada 1902 fisikawan menyatakan bahwa radioaktivitas mengubah satu atom unsur menjadi atom unsur lain semacam alkimia modern. Masalah awal yang terkait dengan menafsirkan fakta empiris diilustrasikan oleh kisah radon.

Pada tahun 1899, Ernest Rutherford, yang bekerja di Universitas McGill di Montreal, Kanada, mengamati bahwa thorium mengeluarkan ’emanasi’ yang menjadikan udara di sekitarnya radioaktif. Tahun berikutnya, fisikawan Jerman Friedrich Ernst Dorn menunjukkan bahwa radium juga menghasilkan emanasi. (Curie telah melakukan pengamatan serupa sebelumnya.) Dorn mencari garis spektral baru yang tidak diketahui di emanasi, menunjukkan bahwa ia curiga itu mungkin elemen baru. Rutherford kemudian mulai memeriksa sifat pancaran radium secara sistematis (Malley, 2011). Bekerja dengan mahasiswa peneliti pascasarjana, Harriet Brooks menggambarkan emanasi dari sumber radium sebagai gas molekul berat, yang tidak bisa menjadi uap radium, dengan kesimpulan tersirat bahwa ini adalah gas radioaktif yang tidak diketahui. Bukti bahwa ini memang elemen gas mulia baru datang pada tahun 1910, ketika William Ramsay dan Robert Whytlaw-Gray menghasilkan spektrum unik yang mirip dengan spektrum gas inert (Marshall dan Marshall, 2003).

Hari ini, kita tahu bahwa pancaran thorium adalah isotop radon Rn-220, dan pancaran radium isotop radon Rn-222. Pada dekade-dekade berikutnya, isotop radon lainnya dilaporkan, menghasilkan berbagai nama, termasuk: acton, actineon, actineon, exradio, exroradium, exthorio, exthorium, exactinio, niton, radeon, radon, thoreon dan thoron. Nama ‘radon’ diadopsi secara resmi baru kemudian, pada tahun 1931, dan istilah ’emanasi’ masih dapat ditemukan dalam kontribusi ilmiah hingga awal 1960-an

Jadi, siapa yang menemukan radon dan tahap apa dalam proses penemuan yang panjang dan rumit yang harus dihitung sebagai penemuan? Sejarawan dan ahli kimia telah berjuang untuk meluruskan, menyarankan Curie, Dorn, Rutherford atau Ramsay dan Whytlaw-Grey sebagai penemu radon. Harriet Brooks, mahasiswa pascasarjana yang diakui Rutherford karena menyadari bahwa emanasi adalah gas radioaktif, hampir tidak pernah mendapat kredit (Rayner-Canham dan Rayner-Canham, 2004).

Sintesis astatin buatan

Dalam banyak kasus, kemajuan dalam mengidentifikasi elemen-elemen baru bergantung pada perkembangan teknis. Pada tahun 1932, wanita Prancis Yvette Cauchois mengembangkan jenis spektrometer yang memungkinkan untuk mempelajari spektrum elemen yang menghasilkan garis spektrum lemah. Cauchois dan kolega Romanianya, Horia Hulubei, menemukan garis spektral baru dalam peluruhan radioaktif radon yang menurut mereka tipikal unsur dengan nomor atom 85, yang pada saat itu belum terdeteksi.

Beberapa tahun kemudian di Wina, tim Austria yang semuanya perempuan, Berta Karlik dan Traude Bernert, mendeteksi dua isotop unsur 85 yang muncul secara alami dan menerbitkan temuan mereka pada tahun 1942 dan 1943 (Lykknes dan Van Tiggelen, 2019). Apa yang tidak diketahui oleh para peneliti Perancis-Rumania dan Austria adalah bahwa atom-atom unsur 85 telah disintesis di Berkeley, California, pada tahun 1940. Para ilmuwan di balik penelitian ini (Dale Corson, Kenneth MacKenzie dan Emilio Segre) menggunakan cyclotron untuk mensintesis elemen, membombardir bismuth-209 dengan partikel alfa.

Pada tahun 1947, dalam sebuah artikel di Nature yang ditujukan untuk unsur-unsur kimia yang hilang, ahli kimia terkemuka Friedrich Paneth menyarankan bahwa penemuan unsur harus, sebagai aturan umum, dikreditkan ke tim pertama yang berhasil dalam sintesis dan karakterisasi satu atau lebih isotop (s) dari elemen baru. Menurut Paneth, dalam kasus elemen 85 ini tidak dapat disangkal lagi adalah tim Amerika, yang karenanya berhak menyebutkan nama elemen baru; mereka memilih nama astatin, dari bahasa Yunani astato, yang berarti ‘tidak stabil’.

Persaingan dan konsensus

Paneth juga memberikan tinjauan resmi atas penemuan tujuh elemen lainnya (43, 61, 87, 93, 94, 95 dan 96), yang menjabarkan prinsip-prinsip panduan untuk siapa yang memiliki hak untuk menyebutkan elemen baru: ini harus menjadi yang pertama para ilmuwan memberikan bukti yang pasti tentang keberadaan salah satu isotop unsur, tanpa diskriminasi antara isotop yang terjadi secara alami dan yang diproduksi secara artifisial. Prinsip-prinsip ini diadopsi oleh komunitas ilmiah pada tahun 1947. Memproduksi, mengamati dan mengidentifikasi unsur-unsir, dan memberikan bukti keberadaannya, sekarang semuanya merupakan bagian dari usaha yang sama.

Namun, seperti hari ini, hanya ada beberapa tempat di mana teknologi untuk membuat elemen baru tersedia: Laboratorium Nasional Lawrence Livermore di AS, Pusat GSI Helmholtz untuk Riset Ion Berat di Jerman, Institut Gabungan untuk Riset Nuklir di USSR (Rusia), dan RIKEN di Jepang. Tetapi sementara sekarang ada lebih banyak kesepakatan tentang apa yang merupakan penemuan, kontroversi tidak kalah sengitnya, karena laboratorium-laboratorium ini saling mengandalkan satu sama lain untuk konfirmasi atas temuan mereka, sementara pada saat yang sama bersaing.

Penemuan ilmiah dalam konteks
Para ilmuwan dari semua disiplin ilmu tahu, dari praktik sehari-hari mereka, bahwa penemuan adalah suatu proses. Sehubungan dengan kasus baru-baru ini dalam astronomi menemukan planet ekstrasurya baru, misalnya, seorang penemu planet telah berkomentar, “Ini tidak seperti ada satu momen penemuan” . Dalam kasus ini, seperti yang sering terjadi, ‘penemuan’ hanya tampak dalam konteks keseluruhan penelitian, yang membutuhkan tim yang cukup besar dan pengalaman dan pengembangan selama puluhan tahun. Ilmu pengetahuan bukanlah usaha yang didorong ke depan oleh orang jenius yang kesepian juga tidak mengikuti narasi linier. Dalam sejarah sains, detail dan kompleksitas selalu menjadi bagian dari cerita.

Daftar Pustaka

Jerassi C, Hoffmann R (2001) Oxygen. Weinheim, Germany: Wiley-VCH. ISBN: 9783527304134

Lykknes A, Van Tiggelen B (eds) (2019) Women in their Element: Selected Women’s Contributions to the Periodic System. Singapore: World Scientific. doi: 10.1142/11442

Marshall JL, Marshall VR (2003) Ernest Rutherford, the ‘true discoverer’ of radon. Bulletin for the History of Chemistry 28(2): 76-83

Malley M (2011) Radioactivity: A History of a Mysterious Science. Oxford, UK: Oxford University Press

Rayner-Canham MF, Rayner-Canham GW (2004) Rutherford, the ‘true discoverer of radon’. Bulletin for the History of Chemistry 29(2): 89-90

Weeks ME (1968) Discovery of the Elements. 7th edition. Easton, PA, USA: Journal of Chemical Education Resources