Текст книги "Как были открыты химические элементы"

Автор книги: Дмитрий Трифонов

Соавторы: Валерий Трифонов
сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 22 страниц)

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ.
ЭЛЕМЕНТЫ ОБНАРУЖЕННЫЕ В ПРИРОДЕ

Большинство химических элементов, известных к настоящему времени, были обнаружены в природных объектах, будь то различные руды и минералы или земная атмосфера, и можно с уверенностью сказать, что в природе более нет новых элементов, которые когда-либо будут найдены. Сюда причисляются все стабильные элементы, а также те, которые относят к естественно-радиоактивным. Их можно назвать и так: «открытые посредством анализа». Они существуют независимо от человека, от его знаний и методов исследования. Они существовали и на самых ранних этапах эволюции солнечной системы, когда формировалась планета Земля.

История открытия этих элементов и составляет содержание первой части нашей книги.

Более 90% элементов, найденных в природе, являются стабильными, т. е. не проявляют свойства радиоактивности. Они занимают в периодической системе Д. И. Менделеева клетки с 1 по 83, начиная от водорода и кончая висмутом. В этом ряду есть два «пробела», отвечающих элементам с Z=43 (технеций) и 61 (прометий). Причудливые закономерности свойств атомных ядер приводят к тому, что все изотопы технеция и прометия радиоактивны, характеризуются сравнительно небольшой продолжительностью жизни, а потому и не сохранились в природных объектах до нашего времени, а распались, превратившись в соседние стабильные элементы.

Естественно-радиоактивных элементов на Земле значительно меньше. Их последовательность в таблице начинается с полония (Z=84) и кончается ураном (Z=92). Среди них только торий и уран имеют очень большие периоды полураспада, а потому сохранились на Земле со времени ее образования и содержатся в довольно заметных концентрациях. Вот почему уран и торий были открыты как новые химические элементы задолго до того, как ученым удалось наблюдать явление радиоактивности. Других же естественно-радиоактивных элементов (полония, радона, радия, актиния и протактиния) несравненно меньше.

ГЛАВА I.
ЭЛЕМЕНТЫ ДРЕВНОСТИ

Древность, разумеется, понятие растяжимое, и потому название, под которым мы объединяем несколько химических элементов, в значительной степени условно. Но им широко пользуются в истории. В этой главе речь пойдет об элементах (главным образом металлах), упоминания об использовании которых встречаются в различных письменных источниках весьма далекого прошлого или их применение в те или иные времена удается установить на основании археологических данных.

Пользование термином «открытие» в данном случае совершенно беспочвенно. По временным меркам истории герои этой главы были признаны самостоятельными химическими элементами сравнительно недавно. Даты и авторы открытий вообще не могут фигурировать в описании ранних судеб элементов древности. В связи с этим и стиль, и метод изложения материала в настоящей главе будут специфическими. Это будет короткий рассказ о том, какие сведения об этих элементах известны и какое применение они имели в отдаленные времена.

Нам предстоит рассказать о семи металлах древности: золоте, серебре, меди, железе, свинце, олове, ртути – о «великолепной семерке» металлов, которая сыграла огромную роль и в развитии цивилизации, и в различных натурфилософских учениях. О сере, которой широко пользовались с давних времен. И наконец, об углероде. Быть может, именно он является самым древним химическим элементом, ставшим известным человеку. Поэтому с углерода мы и начнем историю химических элементов.

Иногда к элементам древности причисляют еще цинк, платину, сурьму и висмут, но сведения о том, что они были известны в древности, не очень определенны.

УГЛЕРОД

Определить точную дату открытия углерода невозможно. Однако установить, когда он был признан простым веществом, нетрудно. Для этого достаточно обратиться к «Таблице простых тел» Лавуазье, опубликованной в 1789 г. В ней углерод фигурирует как простое вещество. Но путь, который прошел углерод, прежде чем занять это место в таблице, измеряется не годами и даже не веками, а тысячелетиями. Человек познакомился с углеродом даже раньше, чем научился добывать огонь, встречаясь со сгоревшими от удара молнии лесами. Когда же человек овладел искусством добывания огня, углерод стал его постоянным спутником.

Углерод сыграл важную роль в развитии теории флогистона. Эта теория даже помогла на некоторое время укрепиться мнению, что углерод не есть простое вещество. Основатели теории флогистона принимали уголь за чистый флогистон. Первым, кто показал, что углерод есть простое вещество, был А. Лавуазье, который исследовал процесс сжигания угля и других веществ. Здесь мы немного отвлечемся от рассказа о том, как углерод стал самим собою, и вот почему.

Дело в том, что в природе углерод встречается в виде двух аллотропных модификаций – алмаза и графита, причем обе были известны человеку с давних пор. То, что алмаз при сильном нагревании сгорает без остатка, было известно также давно. Тем не менее алмаз и графит считали двумя совершенно разными веществами. Событием, которое помогло установить, что алмаз и графит есть видоизменения одного и того же вещества, было открытие углекислого газа. А. Лавуазье провел опыты по сжиганию алмаза и древесного угля и установил, что при сгорании оба вещества дают углекислый газ. Это дало ученому основание считать, что алмаз и уголь имеют одно и то же «начало». В 1787 г. в книге «Метод химической номенклатуры» (А. Лавуазье, А. Гитона де Морво, К. Бертолле и А. Фуркруа) появляется название карбонеум (углерод).

Можно провести некоторую параллель между самим элементом, известным с древнейших времен, и его латинским названием, корень которого восходит к одному из самых древних языков – санскриту. Санскритское кра означает «кипятить, варить». Русское же название восходит к корню гор– гар-, который мог переходить в гол- или гал-. В древнерусском языке уголь назывался угъль или же югълъ. Эти слова имеют тот же корень. В старой русской литературе уголь назывался углетвором. Название «углерод» было предложено в 1824 г.

В 1797 г. С. Теннант обнаружил, что при сгорании одинаковых количеств алмаза и графита выделяется одно и то же количество углекислого газа, а в 1799 г. А. Гитон де Морво подтвердил, что углерод является единственной составляющей алмаза, графита и кокса. Через двадцать лет после этого ему же удалось перевести алмаз в графит, а затем в углекислый газ путем осторожного нагревания. Но обратный перевод графита в алмаз оказался не под силу науке XVIII и XIX вв. Лишь в 1955 г. группе английских ученых удалось получить первые в мире искусственные алмазы. Синтез проводили при давлении свыше 10⁹ Па и температуре 3000°C.

Вскоре после синтеза алмаза советские ученые получили новое вещество – карбин, которое, как теперь уже доказано, является новой, третьей аллотропической модификацией углерода. Атомы углерода в карбине вытянуты в длинные цепочки. Это вещество похоже на сажу.

Исследования углерода и его соединений положили начало огромной области химии – органической.

СЕРА

Сера известна человеку очень давно. Уже во времена Гомера древние греки использовали специфические свойства сернистого газа, получающегося при сгорании серы, для дезинфекции помещений. Месторождения самородной серы также известны с давних пор. Так, Плиний Старший описывает месторождения серы в Италии и на Сицилии. Серу использовали для приготовления красок и обработки тканей. Как и уголь, серу издревне применяли в качестве пиротехнического средства. Состав, известный под названием греческого огня и изобретенный, по-видимому, в V в. в Византии, представлял собой смесь мелко растертых серы (одна часть), угля (две части) и селитры (шесть частей). Интересно отметить, что этот состав мало отличается от состава черного (дымного) пороха.

То, что сера – хороший горючий материал, и то, что она довольно легко соединяется с большим количеством металлов, объясняет ее «привилегированное» положение среди других веществ в средние века. Алхимики считали серу началом горючести и составной частью всех металлов. Сере часто приписывали самые необыкновенные свойства, хотя у некоторых алхимиков мы встречаем точное описание многих ее настоящих свойств.

Элементарную природу серы установил А. Лавуазье. Однако, несмотря на то что к началу XIX в. сера уже признавалась самостоятельным элементом, были проведены опыты с целью выяснения точного состава самородной серы. В 1808 г. Г. Дэви полагал, что сера в обычном состоянии является соединением малых количеств кислорода и водорода с большим количеством серы. Это ставило под сомнение элементарную природу серы, но уже в 1809 г. Ж. Гей-Люссак ее точно установил. В 1810 г. Г. Дэви указал, что, по-видимому, содержание кислорода в сере обусловлено присутствием в самородной сере ее оксидов. В зависимости от месторождения, где были отобраны пробы, менялось и количество кислорода в сере. С точки зрения современной химии можно сказать, что найденный Г. Дэви кислород в сере не был кислородом ее оксидов, а был кислородом оксисульфидов различных металлов, которые всегда присутствуют в сере.

Русское название элемента восходит своими корнями к санскритскому слову сира (светло-желтый). На Руси в древности серой называли самые разнообразные вещества: смолы, дурно пахнущие, горючие. Второе древнее название серы, встречающееся в русском языке, – жупел – также сочетало в себе как понятие горючести, так и дурного запаха. Происхождение латинского названия серы – сульфур – неясно.

ЗОЛОТО

Карл Маркс в свое время писал: «Золото было, в сущности, первым металлом, который открыл человек»[2]2
  Маркс К. К критике политической экономики. М., 1951, с. 160.


[Закрыть].

Это действительно так. Золотые предметы обнаруживали в раскопках вместе с каменными орудиями, относящимися к неолитическому периоду. Но тогда, по-видимому, использовали золото, которое люди находили случайно, во время кочевий и стоянок. Лишь с расслоением общества на классы стали предприниматься попытки разработок золотых рудников. Объяснение простое. Благодаря хорошей сохранности при любых условиях, хорошей делимости на части и высокой стоимости золото с давних пор стало выполнять функцию денег.

В качестве материала для украшений золото также употреблялось с незапамятных времен. В Египте при раскопках пирамид всех династий фараонов археологи находили огромное количество золотых украшений, и не только украшений, но и предметов домашнего обихода.

Золото применяли не только в Египте. За 1000 лет до нашей эры его использовали в Китае, Индии, государствах Месопотамии. В Греции золотое обращение было уже в VIII–VII вв. до н. э., в Армении золотые деньги появились в I в. до н. э. Таким образом, народы древних государств в Европе и Азии были знакомы с золотом. Древнейшие золотые копи находились в Индии и Нубии (Северо-Восточная Африка).

Но способы очистки золота в древности не позволяли выделить металл в чистом виде. Обычно получали сплав золота с серебром, сопутствующим ему. Этот сплав назывался азем. Был известен и природный сплав золота и серебра – электрум.

Ни один металл не сыграл в истории человечества такой неблаговидной роли, как золото. За право им обладать велись войны, уничтожались народы и государства. Совершались страшные преступления. Но обладание золотом не приносило человеку успокоения. Наоборот, в душу его вселялись тревога и боязнь за свои сокровища.

Мрачным периодом в истории погони за золотом является алхимический период, длившийся с IV по XVI в. Алхимики пытались найти философский камень, с помощью которого можно было превращать в золото неблагородные металлы. Алхимия возникла не на пустом месте. Тому был целый ряд предпосылок. Быстрое развитие Египта было связано с тем, что египтяне знали способ извлечения золота. Далее, было известно, что железные предметы, долгое время находившиеся в медных рудниках, покрывались слоем меди. Считали, что железо переходит в медь. Если так, то почему другие металлы не могут перейти в золото? Природный сульфид свинца почти всегда содержит примеси серебра, которое иногда удавалось выделить. Не могло ли серебро образоваться на свинце? И наконец, развитию алхимии способствовал взгляд о единстве материи, т. е. мысль, что все вещества состоят из одних и тех же составных частей, находящихся в различных соотношениях.

Все поиски философского камня оказались, как и следовало ожидать, тщетными, хотя многие алхимики поплатились жизнью за эти изыскания. Все же сообщения о якобы найденных способах получения золота из других металлов оказались откровенным шарлатанством.

Алхимия еще пышно процветала в Европе, когда первые испанские завоеватели отправились в Южную и Центральную Америку. В стране инков они подивились тому количеству золота, которое увидели. Золото было у инков священным металлом бога Солнца, поэтому несметные богатства были накоплены в храмах. Испанцы захватили в плен Великого Инку – Атауальпу. Они пообещали ему свободу за фантастический выкуп – почти 50 м³ золота. Но Франциско Писарро считал, что опасно освобождать Великого Инку, и, не дождавшись до конца обещанного выкупа, испанцы казнили его. В то время, когда инки узнали о гибели своего вождя, в пути находился караван из 1100 лам, груженных золотом. Инки запрятали это золото в горах Азангар, что означает самое отдаленное место. Но спрятать все свои богатства они не смогли. Испанцы захватили и разграбили Куско – один из богатейших городов Перу. Ценнейшие произведения ювелирного искусства переплавляли в слитки и отправляли в Испанию.

В России первые месторождения золота стали разрабатывать в 1600 г., но по-настоящему промышленная добыча этого металла началась лишь в XIX в.

Современное название «золото», по мнению историков химии, имеет своим корнем сол – солнце. Латинское название золота – аурум происходит от слова Аврора – утренняя заря.

СЕРЕБРО

Серебро является более активным металлом, чем золото, и, хотя его процентное содержание в земной коре примерно на полтора порядка выше, чем у золота, в самородном состоянии оно встречается гораздо реже. Неудивительно, что в древности серебро ценилось выше золота. Например, в Древнем Египте соотношение стоимости этих металлов выражалось как 2,5:1. Если золото главным образом шло на изготовление монет и украшений, то серебро находило себе иное применение. В частности, из него изготовляли сосуды для воды.

В IV в. до н. э. войска Александра Македонского покорили Персию и Финикию и вторглись в Индию. Здесь на людей обрушилась эпидемия кишечных заболеваний, воины потребовали возвращения домой. Но вот что интересно. Заболевания совершенно не тронули командный состав армии, хотя военачальники делили с солдатами все трудности и тяготы похода. Только более чем через две тысячи лет ученые нашли причину. У простых воинов были оловянные бокалы, у командиров – серебряные. Оказалось, что серебро способно растворяться в воде с образованием коллоида, и этот раствор убивает болезнетворные бактерии. Как ни мала растворимость серебра в воде, этого количества достаточно для дезинфекции.

Серебряные рудники были известны с глубокой древности. Наиболее значительные месторождения серебра находились в Греции, Испании и Германии. С открытием Америки были обнаружены месторождения в Перу и Мексике. Часто в качестве примесей к серебряной руде выступают свинцовые минералы. До нас дошел способ получения серебра, очищенного от свинца. Серебряная руда измельчалась, промывалась водой и высушивалась. Затем она сплавлялась с флюсом, и этот сплав нагревался с древесным углем. Полученный в результате сплав серебра и свинца прокаливали. При нагревании на воздухе серебро практически не окисляется, а свинец почти полностью переходит в оксид. Температура плавления оксида свинца составляет 896°C, а серебра – 960°C. Так получали практически чистое серебро. В наше время используются другие, более совершенные способы очистки серебра от примесей.

Серебро, как и золото, шло на изготовление монет, но стоимость серебра относительно золота все время понижалась. В 1874 г. стоимость одного фунта золота приравнивалась к стоимости 15,5 фунта серебра, а после открытий месторождений серебра в Австралии это соотношение упало до 1:46. В Англии биметаллизм, т. е. использование двух металлов в качестве денежной основы, был устранен в 1816 г. Затем примеру Англии последовали и другие страны.

Названиями «рубль» и «копейка» мы также обязаны серебру. В XIII в. появился на Киевской Руси рубль – слиток серебра массой примерно в 200 г. Полагают, что при изготовлении рублей вначале отливали длинный слиток серебра, а потом его рубили на части. Слово «копейка» появилось несколько позже, в 1534 г., когда в России стали чеканить монеты с изображением всадника, вооруженного копьем.

Название «серебро», по-видимому, происходит от ассирийского слова серпу или от готского силубр. Латинское же название «аргентум» скорее всего от санскритского арганта, что означает «светлый, белый».

МЕДЬ

По мнению французского ученого М. Бертло, человечество познакомилось с медью не менее пяти тысяч лет назад. По мнению других исследователей, это произошло значительно раньше. Медь и ее сплав с оловом – бронза – были долгое время наиболее употребительными металлическими материалами. Знакомство с этими двумя материалами обозначило целую эпоху в истории развития человечества – бронзовый век. Почему медь сыграла такую важную роль? Медь довольно распространена в природе и хорошо обрабатывается. Вначале люди использовали только ту медь, которая встречалась в самородном состоянии, но затем возникла необходимость в использовании и обработке медных руд. Из руд с большим содержанием меди металл выплавлялся сравнительно легко. Уже в третьем тысячелетии до нашей эры медь широко использовали как материал для изготовления орудий труда. Египетская пирамида Хеопса сложена из гигантских каменных глыб, каждая из которых была обтесана медными инструментами.

Из древних медных рудников особой славой пользовались рудники на острове Кипр, откуда, по-видимому, и пошло латинское название меди – купрум. Русское название «медь» происходит от слова смида; так древние племена, населявшие европейскую часть нашей страны, называли металл вообще.

Полное вытеснение каменных орудий наступило лишь после знакомства людей с бронзой. Бронза скорее всего первоначально была получена случайно. Об этом говорят и находки на острове Крит, датируемые примерно 3500 г. до н. э. Вместе с медными предметами там попадаются и бронзовые. Вначале бронза была дорога и шла главным образом на изготовление различных украшений и предметов роскоши. В Древнем Египте из бронзы делали зеркала. Бронза, равно как и медь, оказалась прекрасным материалом для чеканки и скульптуры. Уже в V в. до н. э. люди научились отливать бронзовые статуи. Особенного развития бронзовая скульптура достигла в Древней Греции, начиная с Микенского периода. И в наше время медь и бронза сохранили за собой эту роль.

Наряду с бронзой давно известен и другой замечательный медный сплав – латунь, – получавшийся при сплавлении меди с цинковой рудой. Медь, бронза и латунь были знакомы древним египтянам, индусам, ассирийцам, римлянам, грекам. Как медь, так и бронза шли на изготовление оружия. При раскопках, относящихся к VIII–VI вв. до н. э., на Алтае, в Сибири и в Закавказье были найдены ножи, наконечники стрел, щиты и шлемы, изготовленные из меди и бронзы. В Древней Греции и в Риме медь и бронзу также часто использовали как материал для изготовления мечей и щитов. Медь нашла себе применение и с изобретением огнестрельного оружия.

ЖЕЛЕЗО

Железо является вторым по распространенности среди металлов в природе, уступая лишь алюминию. Но самородное железо – крайняя редкость, и, вероятно, первое железо, попавшее в руки человека, имело метеоритное происхождение. Железо очень легко окисляется в присутствии воды, воздуха и встречается главным образом в виде оксидов. Легкой окисляемостью железа объясняется и тот факт, что изделия из него, относящиеся к древним временам, встречаются крайне редко. С железом люди познакомились около пяти тысяч лет назад. Вначале железо было очень дорого и ценилось гораздо дороже золота, причем многие изделия из железа помещались в золотую оправу.

Если с золотом, серебром и медью народы всех континентов познакомились примерно в одно и то же время, то с железом дело обстояло иначе. Так, в Египте и Месопотамии способ получения железа из руд был открыт во втором тысячелетии до нашей эры, в Закавказье, Малой Азии и Древней Греции – в конце второго тысячелетия, в Индии – в половине второго тысячелетия, а в Китае значительно позднее – лишь в середине первого тысячелетия до нашей эры. В странах Нового Света железный век наступил лишь с приходом европейцев, т. е. во втором тысячелетии нашей эры, а отдельные африканские племена перешли к использованию железа, минуя бронзовый век. Это объясняется различием природных условий. В тех странах, где запасы меди и олова были невелики, возникла необходимость поиска замены этим металлам. В Америке же находится одно из самых крупных месторождений самородной меди, поэтому искать какие-либо новые металлы не было необходимости. Постепенно выработка железа росла, и оно стало переходить из разряда драгоценных металлов в разряд обычных. К началу нашей эры его уже широко использовали.

Среди всех известных к тому времени металлов и сплавов железо обладало наибольшей прочностью. Поэтому, как только железо стало относительно дешево, из него начали изготавливать различные инструменты и оружие. Уже в начале нашей эры производство железа в Европе и Азии было хорошо налажено, причем особенных успехов в выплавке и обработке железа добились индийские металлурги.

Интересен сам процесс развития методов выработки железа. Сначала человек использовал только метеоритное железо, которое было очень редким и потому дорогим. Затем люди научились получать железо путем сильного нагревания его руд с углем на хорошо обдуваемых ветром местах. Железо получалось губчатым, низкого качества, с большими вкраплениями шлака. Важным шагом в процессе производства железа было появление горна, открытого сверху и обложенного изнутри огнеупорным материалом. Раскопки древних городов в Сирии говорят о том, что с помощью такого метода удавалось получать довольно качественное железо. Далее заметили, что чугун, который раньше считали отходами производства, можно превращать в железо, причем этот процесс требует куда меньших затрат угля и выгоден из-за высокого качества получаемого продукта.

К концу XV в. появились первые плавильные печи, в которых получали исключительно чугун. Процесс выплавки железа и стали быстро развивался. В 1855 г. был предложен конверторный способ получения стали, который применяется и по сей день. Вслед за ним в 1865 г. был разработан мартеновский способ получения стали, позволивший получать сталь, почти свободную от шлаков.

По поводу происхождения названия элемента существуют две точки зрения. Некоторые ученые полагают, что название произошло от санскритского джальжа – металл, руда; другие кладут в основу другой санскритский корень – жель, означавший «блестеть, пылать». Химический символ Fe железо получило от латинского феррум, что означает «железо».