Текст книги "Как были открыты химические элементы"

Автор книги: Дмитрий Трифонов

Соавторы: Валерий Трифонов
сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 22 страниц)

ТОРИЙ

Этому химическому элементу И. Берцелиус (автор открытия) дал грозное имя «торий» (в честь Тора – древнескандинавского бога-громовержца). Однако знаменитый шведский химик поспешил, так как никакого тория, никакого нового элемента он в 1815 г. не нашел. В тот год И. Берцелиус анализировал редкий минерал из Фалунских рудников, в котором обнаружил, как ему представлялось, оксид нового, еще неизвестного элемента. Этого И. Берцелиусу показалось достаточным, чтобы удлинить список существующих элементов еще на одно наименование. Никто из современников не позволил себе выразить даже тени сомнения (в те годы И. Берцелиусу верили безоговорочно). Засомневался, однако, сам автор открытия, и, как выяснилось, не зря: через 10 лет торий пришлось «закрыть», поскольку оксид оказался фосфатом иттрия – элемента, давно уже известного. В 1825 г. былое торжество превратилось в ничто.

Годом позже Ф. Вёлер упомянул об открытии нового элемента в норвежском редком минерале, теперь известном под названием «пирохлор». Для Ф. Вёлера это наблюдение осталось мимолетным, и, как потом выяснилось, напрасно.

Тем временем Г. Эсмарк нашел на острове Левен (близ берегов Норвегии) тяжелый черный минерал. Образец этого минерала ученый послал И. Берцелиусу, который провел тщательный химический анализ. В 1828 г. он сообщил о выделении из минерала силиката нового элемента. Тут-то и пригодилось старое название «торий». Минерал же, послуживший источником тория-2, получил от И. Берцелиуса название «торит».

Когда И. Берцелиус изучал важнейшие свойства тория, то Ф. Вёлер обратил внимание на то, что они похожи на свойства элемента, который он легкомысленно оставил без внимания в 1826 г. Но Ф. Вёлеру суждено было испытать еще горшее разочарование. Через 6 лет знаменитый немецкий ученый и путешественник А. Гумбольдт подарил ему образец пирохлора из Сибири. В нем Ф. Вёлер нашел торий, как в свое время в норвежском пирохлоре. Торий сыграл с Ф. Вёлером злую шутку.

И. Берцелиус тщетно пытался выделить металлический торий. Долгие годы элемент был известен лишь в виде оксида. Металл удалось получить в 70-х годах прошлого века. Так торий стал вторым радиоактивным элементом (после урана), открытым, однако, вне всякой связи с явлением радиоактивности обычным химико-аналитическим методом.

ВАНАДИЙ

…На далеком севере жила в старые времена богиня Ванадис, прекрасная и миловидная. Однажды кто-то постучал в ее дверь. Богиня продолжала уютно восседать в кресле и думала: пускай постучат еще. Но более никто не постучал, а тот, кто стучал, удалялся прочь. Богине стало любопытно: кто же оказался равнодушным? Она открыла окно и увидела того, кто уходил. «Увы, – сказала она себе, – это не кто иной, как старина Вёлер. Конечно, он вполне заслуживает внимания. Если бы он проявил немного больше интереса, он бы получил его».

Спустя несколько дней опять кто-то постучал в дверь, но на сей раз стук был более продолжительным. Богиня, наконец, сама отворила дверь. Вошел Сефстрем, и этот союз породил ванадий. Таково имя нового металла…

В такой аллегорической форме И. Берцелиус в письме к Ф. Вёлеру от 28 января 1831 г. рассказал историю открытия ванадия. История эта оказалась довольно необычной, и не последнюю роль в ней сыграла характерная отличительная способность элемента: его способность образовывать соли, окрашенные в самые различные цвета.

В Мексике, близ селения Цимапан, были найдены залежи свинцовой руды, и в 1801 г. образец ее попал в руки профессора минералогии из Мехико А. Дель Рио. Исследователь, будучи неплохим аналитиком, изучил образец и пришел к выводу, что в нем содержится новый металл, похожий на хром и уран. Затем А. Дель Рио получил несколько соединений металла – каждое было окрашено по-своему. Поразившись этому обстоятельству, ученый предложил для нового элемента название «панхромий» (от греческого слова, означающего «окрашенный в разные цвета»), но вскоре изменил его на другое – «эритроний» (соответствующее греческое слово значит «окрашенный в красный цвет»). Причиной послужило то, что многие соли нового элемента приобретали при нагревании красную окраску. Имя А. Дель Рио было малоизвестно европейским химикам, и, услышав о его результатах, они отнеслись к ним с сомнением. Да и сам мексиканский минералог потерял уверенность. Изучая эритроний далее, он фактически «закрыл» свое открытие, заявив, что этот элемент просто-напросто хромат свинца. И в Европу был отправлен текст новой статьи А. Дель Рио, озаглавленной «Открытие хрома в свинцовой руде из Цимапана». Ее образец проанализировал в 1809 г. А. Колле-Декоти из Парижа и подтвердил ошибочное мнение мексиканского профессора. Ошибочное потому, что ведь А. Дель Рио действительно открыл ванадий. Трудно установить причины его неуверенности в достигнутых результатах. В 1832 г., после вторичного обнаружения ванадия, А. Дель Рио писал в учебнике по минералогии, что наблюдавшийся им некогда металл был вовсе не хромом, а ванадием. Но честь открытия ванадия принадлежит не А. Дель Рио, а шведскому химику Н. Сефстрему.

Это он выделил в 1830 г. из железной руды, добытой в руднике Таберг, небольшое количество нового элемента. Но тем самым Н. Сефстрем доставил немалое огорчение Ф. Вёлеру. Незадолго до того, как открытие нового элемента было предано гласности, Ф. Вёлер изучал ту самую свинцовую руду из Цимапана, в которой 30 лет назад А. Дель Рио обнаружил эритроний. Ф. Вёлер, как сообщил он в письме Ю. Либиху, 2 января 1831 г. уже нашел в этой руде кое-что новое. Однако, работая с парами фтороводорода, Ф. Вёлер отравился и на несколько месяцев прекратил всякую деятельность. Можно представить себе его досаду, когда он узнал об открытии Н. Сефстрема. И. Берцелиус утешал своего коллегу и друга. Он писал, что химик, открывший способ искусственного получения органического вещества (Ф. Вёлер синтезировал мочевину. – Авт.), вполне может отказаться от притязаний на приоритет открытия нового элемента, поскольку можно открыть десять неизвестных элементов при такой же затрате ума. И. Берцелиус и Н. Сефстрем дали новому элементу название «ванадий» (в честь древнескандинавской богини красоты Ванадис). На русском языке название «ванадий» было введено в употребление Г. И. Гессом. Ф. Вёлер между тем довел до конца свое исследование мексиканской руды и окончательно доказал, что в ней содержится именно ванадий, а не хром, как полагал А. Дель Рио. Впоследствии этот минерал получил название «ванадинит» и был обнаружен в разных частях Земли. И. Берцелиус и Н. Сефстрем продолжили изучение ванадия, причем они пришли к выводу об аналогии ванадия с хромом. Они же безуспешно пытались приготовить элемент в металлическом состоянии. Одно время казалось, что они принимали за металл либо оксид ванадия, либо его нитрид. Завершающий этап в открытии ванадия связан главным образом с деятельностью английского химика Г. Роско. В 60-х годах он детально изучил химию ванадия и показал, что этот элемент не является аналогом хрома и урана. Напротив, считал он, ванадий, с одной стороны, подобен ниобию и танталу, а с другой – во многом похож на элементы группы фосфора. В 1869 г. Г. Роско сумел приготовить металлический ванадий. Работы этого ученого высоко ценил Д. И. Менделеев, считая, что они сыграли важную роль в подготовке открытия закона периодичности.

ГЛАВА V.
ЭЛЕМЕНТЫ, ОТКРЫТЫЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ СПОСОБОМ

В этой короткой главе речь пойдет о двух щелочных (натрий и калий) и двух щелочноземельных (магний и кальций) металлах. Они были открыты в первом десятилетии XIX в., причем сразу получены в свободном состоянии. Между тем соединения этих элементов были известны с очень давних времен, и едва ли можно сколь-либо определенно установить, когда впервые стали применять, например, поваренную соль, поташ, известь или магнезию. Все эти вещества сопровождали человека задолго до обнаружения содержащихся в них металлов.

А. Лавуазье поместил в «Таблицу простых тел» известь и магнезию, но воздержался от включения в нее едких щелочей – кали и натра, хотя писал, что эти вещества имеют сложный состав, и их природу еще предстоит изучить. Можно видеть некоторую историческую несправедливость по отношению к перечисленным выше элементам: ведь, например, барий был выделен в металлическом состоянии одновременно с ними, а его открытие связывается с гораздо более ранней датой. Но история открытия элементов часто бывала очень причудливой и непростой.

Характерная особенность открытий натрия, калия, магния и кальция состоит в том, что для выделения этих металлов в свободном виде впервые был успешно применен электрический ток, т. е. электрохимический метод, который по отношению к химико-аналитическому методу играет подчиненную роль. Но впоследствии электролиз расплавленных соединений позволял получить и другие металлы, первоначально открытые в форме соединений.

Вот почему мы сочли целесообразным посвятить истории открытия четырех упомянутых металлов специальную главу. Ее время действия ограничивается всего двумя годами, а главное действующее лицо – один из основателей электрохимии – Г. Дэви.

НАТРИЙ И КАЛИЙ

Соединения натрия и калия известны человечеству очень давно. Карбонаты этих металлов еще в Египте использовали для стирки белья. Одно из самых распространенных соединений натрия – поваренную соль – издавна употребляли в пищу, причем в некоторых странах она была очень дорогим продуктом; иногда между народами начинались войны за право обладать соляными копями. Карбонат натрия обычно получали из соляных озер, тогда как карбонат калия – выщелачиванием золы растений. Это отразилось и в их названиях. Первый раньше назывался минеральной щелочью, а второй – растительной. Слово алкали – щелочь впервые ввел в своих сочинениях средневековый алхимик Дж. Гебер, хотя он не делал различия между двумя карбонатами. Первые указания на их различную природу появились в 1683 г. Голландский ученый И. Бон отметил, что при использовании соды и поташа в одном и том же процессе форма кристаллов, выпадавших в осадок, различалась в зависимости от того, какое соединение было исходным продуктом.

В 1702 г. Г. Шталь обратил внимание на различие кристаллов некоторых соединений натрия и калия. Это явилось важным шагом в установлении различия между содой и поташом. В 1736 г. французский химик А. де Монсо доказал, что сода всегда присутствует в поваренной соли, глауберовой соли и в буре. Поскольку кислотная составляющая соды была известна, то вопрос об основной составляющей представлял значительный интерес. Сода образует с серной кислотой глауберову соль, с селитряной (азотной. – Авт.) кислотой – кубическую селитру (нитрат натрия. – Авт.) и с соляной кислотой – разновидность морской соли, считал А. де Монсо: разве это не дает права предположить, что она является основой морской соли?

Хотя химики давно подозревали, что щелочные земли представляют собой оксиды металлов, истинная природа соды и поташа не была изучена вплоть до начала XIX в. Даже А. Лавуазье не имел на сей счет определенной точки зрения. Он не знал, что представляют собой основные составляющие соды и поташа, допускал, что одним из составляющих может быть азот. Это заблуждение, судя по всему, возникло из-за того, что соли натрия, калия и аммония довольно похожи по своим свойствам.

Заслуга в определении этих составляющих принадлежит Г. Дэви. Сначала его преследовали неудачи, он не сумел с помощью гальванической батареи выделить металлы из соды и поташа. Ученый вскоре понял причину своей ошибки: ведь он брал насыщенные водные растворы этих соединений, а присутствие воды препятствует разложению. «Я решил расплавить безводный поташ», – записал Г. Дэви в октябре 1807 г. Как только Г. Дэви начал электролиз расплава едкой щелочи, на отрицательном электроде, опущенном в расплав, появились маленькие шарики с сильным металлическим блеском. Внешне они ничем не отличались от ртути. Некоторые из них тотчас же сгорали со взрывом и ярким пламенем, другие – не сгорали, а только тускнели, покрываясь белой пленкой. Многочисленные эксперименты показали, что шарики – это то самое вещество, которое я искал, и оно является легковоспламеняющимся основанием едкого кали, сделал вывод Г. Дэви.

^{Г. Дэви}

Г. Дэви детально изучил этот металл и установил, что при реакции его с водой пламя появляется благодаря выделению водорода из воды. Изучив металл, полученный из едкого кали, Г. Дэви занялся поисками основания соды, использовав тот же метод, и вскоре выделил другой щелочной металл. Г. Дэви отметил, что для его получения потребовалась гораздо более мощная батарея, чем в первом случае. Но свойства обоих металлов оказались похожими.

За короткий срок ученый досконально исследовал свойства калия и натрия (их русские названия происходят соответственно от названия щелочей «кали» и «натр», ранее пользовались названиями «потасий» и «содий», от латинских potassium и sodium). Тем не менее некоторые химики подвергли сомнению их элементарность, считая калий и натрий соединением щелочей с водородом. Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар вскоре убедительно показали, что Г. Дэви получил простые вещества.

МАГНИЙ

Соединения магния, такие, как асбест, тальк, доломит, нефрит, известны с глубокой древности и использовались в различных целях. Их, однако, не считали самостоятельными веществами, а принимали за разновидности извести.

В 1618 г. Г. Викер открыл близ Эпсома в Англии минеральные источники. В 1695 г. в них обнаружили горькую соль (сульфат магния), которую стали применять в лечебных целях.

Затем ученые выяснили, что искусственная эпсомская соль может быть получена путем добавления серной кислоты к маточному раствору, оставшемуся после очистки соли, извлеченной из морской воды. Установили и различие между эпсомской и глауберовой солью (сульфат натрия), но еще долго не могли выявить разницу между известью и белой магнезией. Это впервые сделал Дж. Блэк, который установил различную растворимость этих веществ и их сульфатов в воде. По предложению К. Ньюмана оксид магния считался белой магнезией в отличие от магнезии черной, представляющей собой пиролюзит. Металлический магний впервые получил Г. Дэви в 1808 г., используя ту же методику, что и для получения калия и натрия. Правда, он приготовил не очень чистый металл и в очень малых количествах. Большие количества металла в чистом виде получил в 1831 г. французский химик А. Бюсси. Название элемента производится от слова «магнезия».

КАЛЬЦИЙ

Минералов кальция известно очень много. Это, например, известняк, гипс, алебастр, главным образом, карбонатные и сульфатные породы. С этими минералами человек познакомился очень давно. Больше того, уже в давние времена люди превращали путем обжига известняк в негашеную известь, и об этом упоминал Плиний Старший. Но только в 1755 г. Дж. Блэк показал, что потери веса (массы) при обжиге целиком объясняются исчезновением связанного воздуха – углекислого газа.

Слово «алебастр» в древности служило для обозначения двух минералов. За первым (одной из разновидностей сульфата кальция) это название сохранилось до сих пор, но в Египте, например, под этим словом понималась одна из разновидностей кальцита (карбоната кальция).

Гипс также используют с давних пор в качестве строительного материала. Раствор на основе гипса применяли при строительстве пирамид, храмов и других сооружений. Теофраст под словом «гипс» понимал также два минерала: сам гипс и продукт его частичной дегидратации. Чистый оксид кальция был описан немецким химиком И. Поттом еще в 1746 г., однако попытки получить из него металл с помощью различных восстановителей к успеху не привели.

Правильный путь предложил Г. Дэви. В первых попытках получить кальций он пропускал электрический ток через влажную землю, закрытую от воздуха слоем керосина. (Аналогично он пытался получить барий и стронций.) В результате своих экспериментов Г. Дэви выработал метод получения щелочноземельных металлов в чистом виде. Суть его состояла в следующем. Г. Дэви смешивал влажную землю с ⅓ (по массе) оксида ртути, помещал эту смесь в платиновый стакан, к которому был подведен положительный полюс сильной батареи. Затем в середину смеси он помещал капельку металлической ртути. Платиновый электрод, погруженный в эту капельку, был подключен к отрицательному полюсу батареи. Таким образом, Г. Дэви вначале получал амальгаму, которую затем разделял на ртуть и новый серебристо-белый металл – кальций. Это произошло в 1808 г. В том же году независимо от Г. Дэви получили кальций тем же методом И. Берцелиус и М. Понтин. Название элемента происходит от латинского слова калкс, что означает «известь».

ГЛАВА VI.
ЭЛЕМЕНТЫ, ОТКРЫТЫЕ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Не было такого десятилетия в XIX в., когда список химических элементов не пополнялся бы, притом в иные десятилетия весьма существенно. Исключение составляют только 50-е годы прошлого века, на протяжении которых ученым так и не удалось открыть ни одного нового элемента. Ни одного, сколь бы парадоксальным это обстоятельство не казалось. Но при внимательном рассмотрении оказывается, что особого парадокса здесь, собственно, и нет. Подобная ситуация скорее закономерна. Все, что было в силах классической аналитической химии, она сделала. Химико-аналитический метод позволил обнаружить к середине столетия практически все те элементы, открытие которых не требовало особых ухищрений. Они либо встречались на Земле в заметных количествах, либо были удачно найдены месторождения минералов, содержащих менее распространенные элементы. В середине прошлого столетия известно было уже около 60 элементов.

Столь мирной полосе в истории их открытия положил конец метод спектрального анализа, разработанный в 1859–1860 гг. немецкими учеными Р. Бунзеном и Г. Кирхгофом. И сразу же стали появляться сообщения об открытии новых элементов, и каждый раз сигналом служило наблюдение новых спектральных линий. Четыре химических элемента подряд (цезий, рубидий, таллий и индий) появились на свет благодаря спектроскопическому методу.

ЦЕЗИЙ

Цезию суждено было стать первым химическим элементом, присутствие которого на Земле удалось доказать при помощи спектрального анализа. Но судьба этого редкого щелочного металла могла сложиться и по-другому. Еще в 1846 г. минералог А. Брейтхаупт, изучая минералы и руды с острова Эльба, обратил внимание на окрашенную разновидность кварцита, которую он назвал поллуксом (или поллуцитом). Образец поллукса попал в руки немецкого химика К. Платтнера из Фрайберга, профессора металлургии в Горной академии. В распоряжении К. Платтнера было очень небольшое количество поллукса, поэтому он сумел провести только одно аналитическое исследование. Выделив из минерала входящие в него компоненты и не найдя при этом ничего нового, К. Платтнер, к своему удивлению, обнаружил, что сумма составных частей равна 92,75%, т. е. почти на 7% меньше, чем должно было быть. Объяснить причину этого он не сумел, так как у него не оказалось больше поллукса. Однако К. Платтнер с несомненностью установил следующий факт: поллукс имеет самое высокое содержание щелочей из всех известных к тому времени силикатов. Будущий цезий был поэтому надежно замаскирован в минерале преобладающими количествами натрия и калия; экспериментального мастерства К. Платтнера не хватило для его извлечения.

В 1860 г. Р. Бунзен и Г. Кирхгоф спектральным путем исследовали химический состав различных минеральных вод. В их лаборатории оказались воды Дюркхеймского минерального источника. После выделения из образца воды кальция, стронция, магния и лития капля упаренного раствора была исследована на спектроскопе. При этом экспериментаторы наблюдали две отчетливые голубые линии, близко расположенные друг от друга. Одна из них почти совпадала по своему местоположению на спектре с характерной линией стронция. Р. Бунзен и Г. Кирхгоф констатировали: неизвестно такого вещества, которое бы характеризовалось подобными линиями в спектре. Они пришли к заключению о существовании неизвестного простого вещества, принадлежащего к группе щелочных металлов. Мы предлагаем дать этому новому металлу, писали ученые, название «цезий» (символ Cs) от caesius (латинское слово. – Авт.). В старину это слово употребляли для обозначения голубизны верхней части небосвода. Благодаря прекрасному голубому цвету раскаленных паров этого нового элемента удалось доказать присутствие нескольких миллионных долей миллиграмма этого простого вещества в смеси с натрием, литием и стронцием.

^{Р. Бунзен}

11 апреля 1860 г. Р. Бунзен писал Г. Роско (соавтору по работе в области фотохимии) о своих изысканиях относительно нового щелочного металла. Сообщение об открытии цезия Р. Бунзен сделал 10 мая на заседании Берлинской Академии наук. Спустя полгода Р. Бунзен располагал уже 50 г почти чистого хлороплатината цезия. Чтобы получить это количество, пришлось переработать около 300 т минеральной воды (в качестве побочного продукта было выделено около 1 кг хлорида лития). Эти числа свидетельствуют, насколько ничтожным было содержание цезия в минеральных водах.

Через четыре года итальянский химик-аналитик Ф. Пизани занялся изучением поллукса, с которым в свое время работал К. Платтнер. Ф. Пизани сопутствовала удача: он обнаружил в минерале цезий и показал, в чем состояла ошибка К. Платтнера. Оказывается, немецкий исследователь ошибочно принял выделенный им сульфат будущего цезия за смесь сульфатов натрия и калия. До получения металлического цезия дело дошло, однако, нескоро. Только в 1882 г. немецкий химик К. Заттерберг выделил металл электролитическим методом (электролиз смеси цианидов CsCN и Ba(CN)₂). Независимо и почти одновременно цезий получил в России Н. Н. Бекетов, восстанавливая алюминат цезия (CsAlO₂) магнием в токе водорода.