Текст книги "Как были открыты химические элементы"

Автор книги: Дмитрий Трифонов

Соавторы: Валерий Трифонов
сообщить о нарушении

Текущая страница: 13 (всего у книги 22 страниц)

АРГОН

Если бы вы прочли фразу: «Инертные газы открыл Г. Кавендиш в 1785 г.», то, наверное, сочли бы ее за розыгрыш или мистификацию. Но, как это ни парадоксально, по сути своей она не содержит ошибки. Только слово «открыл» в ней неправильно. С таким же основанием можно было утверждать об открытии водорода Р. Бойлем в 1660 г. или М. В. Ломоносовым в 1745 г. В своих экспериментах Г. Кавендиш лишь наблюдал «нечто», суть которого стала ясна лишь сто с лишним лет спустя. В одной из лабораторных записей Г. Кавендиш отмечал, что при пропускании электрической искры через смесь азота с избытком кислорода он получил небольшой остаток, составлявший не более ¹/₁₂₅ от первоначального объема смеси. Этот загадочный пузырек оставался неизменным при дальнейшем действии электрического разряда. Теперь мы вправе утверждать, что он содержал смесь инертных газов, чего Г. Кавендиш, конечно, не мог бы ни понять, ни объяснить.

Наблюдение знаменитого английского физика описал в 1849 г. биограф Г. Кавендиша Г. Вильсон в своей книге «Жизнь Генри Кавендиша». В начале 80-х годов В. Рамзай изучал взаимодействие газообразного азота с водородом и кислородом в присутствии платинового катализатора. Ничего из этих исследований не получилось, и В. Рамзай даже не стал публиковать результаты опыта. Как вспоминал впоследствии сам В. Рамзай, в то же время он прочитал книгу Г. Вильсона и против строк, содержащих описание его (Кавендиша) эксперимента, написал: «Обратить внимание». Более того, В. Рамзай поручил своей лаборантке К. Вильямс повторить опыт Г. Кавендиша. Неизвестно, чем завершилась эта попытка. Скорее всего ничем. Но воспоминание об этом эпизоде, сохранившееся у В. Рамзая (скрытая память, по его собственным словам), сыграло определенную роль в предыстории открытия аргона. Главным действующим лицом этой предыстории поначалу оказался английский физик Дж. Рэлей, а историческим фоном – необходимость дальнейшего развития атомно-молекулярного учения. Существенным для подобного развития было уточнение величин атомных масс элементов. Многочисленные эксперименты по их определению приводили к выводу, что в подавляющем большинстве случаев они являются нецелочисленными. Между тем еще в 1815–1816 гг. английский врач В. Праут высказал одну из величайших в истории естествознания гипотез, что атомы всех химических элементов состоят из атомов водорода. В таком случае атомные массы могли быть только целочисленными величинами. Поэтому либо Праут не прав, либо нецелочисленность атомных масс есть результат ошибочных экспериментов.

Чтобы разрешить это противоречие, требовались новые исследования состава и природы газов. К этому и призывал Дж. Рэлей. В первую очередь он считал необходимым провести точные определения плотностей основных газов атмосферы – азота и кислорода, ибо расчет их атомных масс мог быть осуществлен на основании данных по плотностям.

В популярном английском журнале «Nature» от 29 сентября 1892 г. Дж. Рэлей опубликовал краткую заметку, которая, казалось бы, касалась мелочи: значения плотностей азота, выделенного из воздуха, и азота, полученного при пропускании смеси воздуха и аммиака над раскаленной медной проволочкой, были различными. Разница была невелика, всего 0,001, но ее никак нельзя было объяснить ошибкой эксперимента. Тяжелее оказывался атмосферный азот. Так появилась загадка, которая выражалась словами «аномально высокая плотность атмосферного азота». Азот, полученный любыми доступными химическими способами, всегда был легче на одну и ту же величину.

Откуда же такое разноречие? Этим вопросом и заинтересовался В. Рамзай. 19 апреля 1894 г. он встретился с Дж. Рэлеем, и ученые обсудили проблему. Но каждый остался при своем мнении. В. Рамзай считал, что в атмосферном азоте содержится примесь более тяжелого газа. Дж. Рэлей, напротив, полагал, что все объяснится, когда в «химическом» азоте будет обнаружена примесь более легкого газа.

Позиция Дж. Рэлея казалась более заслуживающей внимания. Ведь состав атмосферы тщательно изучался на протяжении ста с лишним лет. Считалось неправдоподобным, чтобы при этом изучении какие-либо компоненты воздуха остались неуловимыми. Быть может, здесь самое время вспомнить опыт Г. Кавендиша? Когда же, наконец, сработает «скрытая память», о которой впоследствии говорил В. Рамзай? И она начинает работать: 29 апреля В. Рамзай отправил письмо жене. «Вполне вероятно, – писал он, – что в азоте содержится какой-либо инертный газ, который ускользнул от нашего внимания. Поэтому К. Вильямс работает над этим сейчас, соединяя азот с магнием и пытаясь установить, что осталось. Мы можем открыть новый элемент».

Письмо прямо-таки дышит уверенностью. Предполагается, что неизвестный газ – это новый элемент. И что он, подобно азоту, инертен, т. е. с трудом вовлекается в химические взаимодействия. Чтобы этого незнакомца от азота отделить, последний все-таки нужно химически связать, и В. Рамзай использует для этого реакцию поглощения азота раскаленными магниевыми стружками (3Mg+N₂=Mg₃N₂) – единственный, пожалуй, пример, когда химия сыграла определенную роль в открытии инертных газов.

Но, полемизируя сам с собой, В. Рамзай допускает и другую возможность: неизвестный газ не есть новый элемент, а представляет собой лишь аллотропическую разновидность азота, молекула которой состоит из трех атомов – N₃, подобно тому как у кислорода: О₂ – молекулярный кислород и О₃ – озон. Поглощение магнием азота должно было сопровождаться распадом молекулы N₂ на атомы; одиночный же атом N мог присоединиться к N₂, образуя N₃. Так рассуждал В. Рамзай. Позднее представление о молекуле N₃ оказалось сильным козырем в руках противников аргона. Бесплодные попытки выделить озоноподобный азот растянулись на два с лишним месяца, но зато к 3 августа В. Рамзай располагал 100 см³ газа, который был азотом, с плотностью 19,086.

О своем успехе ученый написал В. Круксу и Дж. Рэлею. Первому он послал ампулу с газом для спектроскопических исследований; что касается второго, то Дж. Рэлей самостоятельно собрал небольшое количество нового газа. В середине августа В. Рамзай и Дж. Рэлей встретились на научном заседании и сделали совместное сообщение. Они описали спектр газа и особо подчеркнули, что наиболее характерным его свойством является химическая инертность. Многие коллеги ученых с интересом выслушали сообщение, но выразили удивление: как это воздух может еще содержать новую примесь? А известный физик О. Лодж даже спросил: «Не открыли ли вы, господа, и имени этого газа?»

^{В. Рамзай}

Вопрос о названии решился в начале ноября, когда В. Рамзай предложил Дж. Рэлею, принимая во внимание исключительную химическую инертность газа, назвать его аргоном (от греческого слова, означающего «недеятельный») и присвоить ему символ A (впоследствии стали писать Ar). 30 ноября президент Королевского общества лорд Кельвин (тот самый В. Томсон, который в 1871 г. впервые публично употребил название «гелий») охарактеризовал открытие новой составной части атмосферы как выдающееся научное событие минувшего года. Но природа этой составной части казалась непонятной. Можно ли ее считать химическим элементом? Такие авторитеты, как Д. И. Менделеев или Дж. Дьюар (он изобрел знаменитый сосуд для хранения жидкого воздуха), полагали, что аргон – это N₃. Абсолютная химическая инертность аргона была новым качеством, доселе невиданным в химии, и потому изучить аргон было трудным делом (в частности, определить атомную массу аргона). Кроме того, выяснилось, что в отличие от всех других известных элементарных газов аргон еще и одноатомен, т. е. его молекула состоит из одного атома.

Выступая в Русском химическом обществе 14 марта 1895 г., Д. И. Менделеев заявил: атомная масса аргона (равная 40) не соответствует периодической системе; в ней нет места для нового газа. А, следовательно, аргон является конденсированным азотом N₃.

Понадобилось немало времени, чтобы удалось разгадать многие загадки аргона. Определенную роль здесь сыграло открытие гелия, тоже оказавшегося совершенно инертным химически и одноатомным газом. Пара аргон–гелий позволила говорить о том, что существование подобных газов не случайность, а закономерность. Можно было ожидать открытий новых представителей этого семейства. Но прежде чем это произошло, миновало около трех лет. Но в эти годы ученые сумели основательно изучить свойства гелия и аргона, точно определить их атомные массы и высказать идеи о размещении обоих элементов в периодической системе.

КРИПТОН, НЕОН, КСЕНОН

Почему же в истории инертных газов наступило затишье? Здесь было несколько причин. Одна из них состояла в том, что ученые работали с очень небольшими объемами аргона и гелия. Чтобы добыть их из воздуха, приходилось химическим путем избавляться от кислорода, азота, водорода и углекислого газа. А ведь все инертные газы составляли ничтожную часть земной атмосферы. Заметить на фоне аргона и гелия примеси их аналогов оказалось сложной задачей. Другая причина заключалась в химической инертности аргона и гелия. На них не действовали даже самые активные реагенты (например, такие, как фтор). В изучении инертных газов химикам делать было нечего, и лишь от физических методов ученые ожидали результатов. Однако требовались более совершенные физические методы. Их и удалось разработать в период затишья. Исследователи отработали технику работы с малыми количествами газов, усовершенствовали спектроскопы и приборы для определения плотностей газов. Наконец, произошло событие, в истории инертных газов сыгравшее первостепенную роль. Два инженера У. Хэмпсон в Англии и Г. Линде в Германии изобрели эффективный процесс сжижения газов. У. Хэмпсон построил установку, которая давала 1 л жидкого воздуха в 1 ч. Эти успехи подтолкнули творческую мысль ученых. В начале 1898 г. ассистент В. Рамзая М. Траверс начал конструировать холодильный аппарат для получения больших объемов жидкого аргона. Поскольку составные части атмосферы сжижаются при различных температурах, газы можно было просто отделять друг от друга.

Открытия аргона и гелия замечательны еще и тем, что заставили химиков размышлять не только о причине химической инертности (ее поняли почти четверть века спустя), но и над судьбами закона периодичности и периодической системы – они оказались перед серьезной угрозой. Три важнейшие характеристики аргона и гелия (величины атомных масс, валентность, равная нулю, одноатомная молекула) оставили оба газа вне системы. Вот почему Д. И. Менделеев первоначально так ухватился за спасительную мысль относительно N₃.

История порой удивительно предвосхищает будущее. Аргон еще окончательно не открыт, а 24 мая 1894 г. В. Рамзай пишет письмо Дж. Рэлею, в котором спрашивает своего коллегу: не приходило ли ему в голову, что в периодической таблице есть места для газообразных элементов? Например:

В. Рамзай допускал, что в малом периоде системы элементов Д. И. Менделеева может быть такая же триада элементов, как триады железа и платиновых металлов в больших периодах. Открытия аргона и гелия наводили на мысль, что эти газы могут занять места двух X. Но величины атомных масс этих элементов (соответственно 4 и 40) оказались слишком различными, чтобы символы Не и А могли соседствовать в одном периоде. Постепенно идея новых триад отошла на задний план, и В. Рамзай стал склоняться к другой идее, что инертные газы как бы располагаются на концах каждого периода. В таком случае между гелием и аргоном можно было ждать промежуточного элемента с атомной массой около 20. О нем-то и произнес речь В. Рамзай в августе 1897 г. на заседании Британской ассоциации в Торонто. Речь носила знаменательное название «Неоткрытый газ». Как говорил Рамзай, предметом его сообщения является новый газ. Он хотел описать его интересные свойства, но считал неблагоразумным скрывать от слушателей, что одно из самых замечательных свойств – это то, что он еще не открыт.

И опять мы чувствуем такую же уверенность, которая сквозила в письме В. Рамзая жене накануне открытия аргона. Но теперь то была уже не дерзость романтика, а убежденность, помноженная на опыт. Этот неоткрытый газ впоследствии оказался неоном. Но по прихотливому стечению обстоятельств, что нередко бывает в науке, открытию предшествовало другое событие. Обнаружить новый газ, очевидно, можно было путем постепенного испарения жидкого воздуха и анализа соответствующих фракций, причем особый интерес представляли фракции более легкие, чем аргон. 24 мая 1898 г. В. Рамзай и М. Траверс получили сосуд Дьюара с жидким воздухом. К несчастью (а вероятно, и к счастью), воздуха оказалось слишком мало, чтобы заняться поисками предшественника аргона. Поэтому ученые решили использовать материал для отработки техники разделения жидкого воздуха. Проведя эту операцию, В. Рамзай и М. Траверс обнаружили к исходу дня, что в их распоряжении осталась наиболее тяжелая фракция.

Целую неделю она не привлекала внимания, пока 31 мая В. Рамзай не решил взяться за нее. Газ был очищен от возможных примесей азота и кислорода и подвергнут спектральному анализу. В. Рамзай и М. Траверс были бесконечно удивлены, когда увидели в спектре яркую желтую линию, которая не могла принадлежать ни гелию, ни натрию. В. Рамзай записал в дневнике: «31 мая. Новый газ. Криптон». Вспомните, что под этим именем некоторое время фигурировал будущий гелий. Теперь же это название окончательно вошло в историю инертных газов. Однако криптон оказался не тем неоткрытым газом, о котором говорил в своей речи В. Рамзай. Его плотность была больше, чем следовало из расчетов; большей величиной характеризовалась и атомная масса.

Открытие неона последовало незамедлительно. В. Рамзай и М. Траверс при перегонке воздуха отобрали легкие фракции, и в одной из них был обнаружен очередной инертный газ. По воспоминаниям В. Рамзая, имя «неон» (от греческого слова неос – «новый») предложил Вильям Рамзай-младший (двенадцатилетний сын ученого). Непосредственное наблюдение в данном случае осуществлял один М. Траверс (В. Рамзай отсутствовал). Это было 7 июня. Затем целая неделя ушла на подтверждение результатов, получение бóльших количеств неона и определение его плотности. Неон, как и ожидалось, оказался промежуточным между гелием и аргоном, хотя в чистом виде он пока не был выделен. Решить задачу полного разделения неона и аргона удалось позднее.

Теперь В. Рамзаю и М. Траверсу осталось обнаружить еще одного представителя плеяды инертных газов, но здесь оба исследователя не испытывали такой же уверенности, как перед открытием неона. В один из дней июля 1898 г. коллеги в очередной раз занимались перегонкой жидкого воздуха и разделением его на отдельные фракции. Более 50 фракций отобрали В. Рамзай и М. Траверс к полуночи; в последней из них (№ 56) обнаружили криптон. После этого была отобрана еще одна фракция (№ 57), полученная при нагревании аппарата и состоявшая главным образом из следов углекислого газа. В. Рамзай и М. Траверс заспорили, стоит ли проводить ее исследование, и решили вопрос положительно. Утром ученые наблюдали спектр фракции № 57. Он оказался своеобразным. Скорее всего, это новый газ, заключили они. Однако чистый ксенон был получен лишь в середине 1900 г. Название «ксенон» происходит от греческого слова ксенос, означающего «незнакомец».

ИНЕРТНЫЕ ГАЗЫ КАК ПОВОД ДЛЯ РАЗМЫШЛЕНИЯ

Открытие инертных газов всегда называют среди четырех великих научных событий конца XIX в., приведших к революции в естествознании, наряду с открытием Х-лучей (рентгеновского излучения), явления радиоактивности и электрона. И это предпочтение, которое оказывают историки науки инертным газам, обусловлено многими причинами.

Удивительно яркой и феерической выглядит сама история их открытия. Загадочный солнечный элемент гелий был обнаружен на Земле, и один только этот факт подчеркнул, насколько более изобретательным и зорким стал человек в своем стремлении глубже и лучше понять природу.

Не менее поначалу загадочный аргон вселил смуту в умы ученых. Его химическая инертность словно и не давала оснований считать его элементом в обычном понимании, ибо он не проявлял химических свойств. Но исследователям пришлось привыкнуть к этой необычной ситуации и утвердиться в мысли, что могут быть элементы, неспособные к химическим взаимодействиям. Подобная мысль явилась очень плодотворной. Инертные газы способствовали представлениям о нулевой валентности. Они, далее, придали дополнительную стройность структуре периодической системы, образовав ее самостоятельную нулевую группу. Они спустя почти четверть века после своего открытия помогли Н. Бору развить теорию строения электронных оболочек атомов. Эта теория в свою очередь объяснила их инертность. А устройство атомов инертных газов легло в основу представлений об ионной и ковалентной связи. Итак, теоретическая химия многим обязана открытию этих элементов.

В начале 60-х годов они еще раз поразили научный мир. Ученые доказали, что ксенон (главным образом) и криптон все-таки способны образовывать химические соединения. Теперь их известно уже более 150. Парадоксальность столь позднего развенчания мифа о полной химической бездеятельности инертных газов очевидна и представляет любопытный штрих их истории.

Инертные газы относятся к числу наиболее редких стабильных элементов, существующих на Земле. Вот сведения, которые приводил еще сам В. Рамзай. Один объем гелия приходится на 245 000 объемов атмосферного воздуха, неона – на 81 000 000, аргона – на 106, криптона – на 20 000 000 и ксенона – на 170 000 000. С тех пор эти числа почти не изменились. В. Рамзай сказал как-то, что ксенона в воздухе меньше, чем золота в морской воде. Одна эта фраза стоит многих разглагольствований о том, сколь мучительным было познание инертных газов.

ГЛАВА IX.
ЭЛЕМЕНТЫ, ПРЕДСКАЗАННЫЕ НА ОСНОВЕ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ (ГАЛЛИЙ, СКАНДИЙ, ГЕРМАНИЙ)

«Без периодического закона мы не имели никаких поводов предсказывать свойства неизвестных элементов, даже не могли судить о недостатке или отсутствии тех или других из них. Открытие элементов было делом одного наблюдения. И оттого-то только слепой случай и особая прозорливость и наблюдательность вели к открытию новых элементов… Закон периодичности открывает в этом… отношении новый путь»[7]7
  Менделеев Д. И. Периодический закон. Основные статьи. Серия «Классики науки». М., 1958, с. 149–150.


[Закрыть] – этими словами Д. И. Менделеев четко высказал мысль о том, что в истории химических элементов наступило время, когда стало возможным заранее предвидеть существование еще не открытых элементов и оценивать их важнейшие свойства.

Основу для этого давала периодическая система. Уже из самой ее структуры было в той или иной степени видно, где находятся пробелы, отвечающие неизвестным элементам. Зная же свойства их известных соседей по системе, можно было посредством логических рассуждений и простых арифметических операций оценить наиболее характерные свойства незнакомых элементов, рассчитать некоторые количественные параметры (атомная масса, плотность, температура плавления и кипения и т. д.). Но для этого требовалась громадная эрудиция в области химии. Ею обладал в полной мере Д. И. Менделеев. Помноженная на научную смелость и веру в справедливость закона периодичности, эрудиция великого ученого позволила ему сделать блестящие предсказания существования и свойств некоторых новых элементов.

Гениальные предвидения Д. И. Менделеева уже давно стали хрестоматийными, и ни один учебник химии не обходится без упоминания менделеевских прогнозов экаалюминия, экабора и экасилиция, которые впоследствии воплотились в галлий, скандий и германий.

Посмотрите на те сопоставления, которые приводятся ниже.

Экаалюминий	Галлий
Атомная масса ≈ 68	Атомная масса 69,72
Простое тело должно быть низкоплавкое	Температура плавления 29,75°C
Плотность металла близка к 6,0	Плотность 5,9 (тв.)
Объем атома должен быть близок к 11,5	Атомный объем 11,8
На воздухе не изменяется	Слабо окисляется при красном калении
Должен разлагать воду при кипячении	Разлагает воду при высокой температуре
Образует квасцы, но труднее, чем Al	Дает квасцы NH4Ga(SO4)2∙12Н2О
Еа2О3 должна легко восстанавливаться до металла	Ga легко восстанавливается прокаливанием Ga2O3 в токе водорода
Еа более летуч, чем Al, будет открыт методом спектрального анализа	Ga открыт спектроскопическим методом
Экабор	Скандий
Атомная масса ≈ 44	Атомная масса 45,1
Плотность ≈ 3,0	Плотность 3,0
Объем атома около 15	Атомный объем 15
Металл нелетуч и не может быть открыт спектральным анализом	Летучесть низкая
Образует основной оксид	Образует основной оксид
Воду будет разлагать при повышенной температуре	Разлагает воду при кипении
Eb2О3 в воде нерастворима, плотность ≈ 3,5	Sc2O3 в воде не растворяется, плотность 3,864
Eb2О3 с большим трудом образует квасцы	Sc2O3 образует двойную соль 3К2SО4∙Sc2(SO4)3
Экасилиций	Германий
Атомная масса ≈ 72	Атомная масса 72,60
Плотность ≈ 5,5	Плотность 5,327
Атомный объем ≈ 13	Атомный объем 13,57
Плотность EsO2 ≈ 4,7	Плотность GeO2 4,280
Основные свойства выражены слабо	GeO2 имеет амфотерный характер
EsCl4 будет жидкостью, температура кипения ≈90°C	GeCl4 – жидкость, температура кипения 83°C
Способность Es раскисляться низкая	Ge с трудом образует низшие степени окисления
Существует непрочное соединение EsH4	Получен легкоразлагающийся GeH4
Существует металлоорганическое соединение Es(C2H5)4	Известно Ge(C2H5)4

В левых колонках даны свойства экаалюминия, экабора и экасилиция, какими их предсказывал Д. И. Менделеев; в правых – приведены современные сведения о свойствах галлия, скандия и германия. Нет нужды комментировать, насколько поразительно совпадение ожидаемого с действительным.

^{Д. И. Менделеев}

Вот как объясняет употребление приставки «эка» Д. И. Менделеев: «Чтобы не вводить в науку новые названия для ожидаемых элементов, я стану называть их по имени ближайшего низшего аналога из числа четных или нечетных элементов той же группы, прибавляя к названию этого элемента санскритские слова счета (эка, два, три, чатур и т. д.)»[8]8
  Менделеев Д. И. Периодический закон. Основные статьи. Серия «Классики науки». М., 1958, с. 149–150.


[Закрыть]. (Санскритский язык относится к давно исчезнувшим, но от него производятся многие слова в различных современных языках.) Следовательно, ближайший аналог алюминия по группе будет экаалюминий и т. п.