Текст книги "Как были открыты химические элементы"

Автор книги: Дмитрий Трифонов

Соавторы: Валерий Трифонов
сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 22 страниц)

ГЛАВА IV.
ЭЛЕМЕНТЫ, ОБНАРУЖЕННЫЕ ХИМИКО-АНАЛИТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

В этой главе речь пойдет о тех элементах, открытия которых явились результатом химического анализа природных объектов, главным образом различных минералов. Химия все более и более оформлялась как наука, и росла ее активность в познании прежде всего неорганической природы. Открытием кобальта начинается эта глава и открытием ванадия завершается. Охватываемый ею временной интервал составляет почти 100 лет (с 1735 по 1830 г.). За этот период было обнаружено более 30 химических элементов, что явилось достижением химико-аналитического метода. Разумеется, этот метод сыграл важнейшую роль в открытии и некоторых других элементов, например в открытии редкоземельных элементов, но в силу особенностей их истории они будут рассмотрены в отдельной главе.

КОБАЛЬТ

Историю открытия кобальта лучше всего начать с истории происхождения названия этого элемента. Своим названием он обязан минералу, который находили с древних пор в Саксонии и называли кобольдом. Так рудокопы именовали злого духа, который якобы обитал в этом минерале. Поверье произошло от того, что все попытки выделить серебро из этого камня (а он очень походил на серебряную руду) оканчивались неудачей.

Синие кобальтовые стекла, эмали и краски были известны еще за 5000 лет до н. э. в Древнем Египте. Так, в гробнице Тутанхамона нашли много осколков синего стекла. Неизвестно, было ли приготовление синих стекол и красок на основе кобальтовых соединений сознательным или случайным. Во всяком случае, рецепт их получения долго был неизвестен. Первое упоминание о приготовлении синих красок относится к 1679 г.

Первооткрывателем кобальта стал шведский химик Г. Брандт. Датой открытия считается 1735 г. В своей «Диссертации по полуметаллам» он говорил об открытом им новом полуметалле – кобольде.

Под полуметаллами Г. Брандт имел в виду вещества, которые многими своими качествами похожи на известные металлы, но не поддаются ковке. Он описал шесть полуметаллов: ртуть, висмут, цинк, сурьму, кобальт, мышьяк. Так как большинство висмутовых руд содержат кобальт, Г. Брандт в своей диссертации предложил несколько способов для того, чтобы различать кобальт и висмут.

В 1744 г. Г. Брандт нашел новый минерал, содержащий кобальт, железо и серу. Этим минералом оказался сульфид кобальта Co₃S₄.

Впоследствии Г. Брандт провел детальное изучение кобальта. В конце XVIII–начале XIX в. изучением свойств кобальта и его соединений занимались Т. Бергман, Л. Тенар, Л. Пруст и И. Берцелиус. Это помогло более подробно изучить элемент. В открытие кобальта долго не верили многие химики. В 1776 г. венгерский химик П. Падакс заявил, что кобальт есть соединение железа и мышьяка, но добавил, что открытый к тому времени никель является элементом. И только к концу XVIII в. благодаря работам многих ученых было подтверждено открытие Г. Брандта.

Кобальт, как и никель, часто присутствует, а иногда и в больших количествах, в метеоритах. В 1819 г. немецкий химик Ф. Штромейер сообщил об открытии им кобальта в метеорите, а чуть позже С. Теннант в этом же метеорите обнаружил никель.

НИКЕЛЬ

Сосед кобальта по периодической системе – никель имеет довольно много с ним общего. Прежде всего этот элемент тоже «дьявольский». Название «никель» происходит от немецкого купферникель – «медный дьявол», по названию минерала, описанного в 1694 г. шведским минералогом У. Иерне и ошибочно принятого им за медную руду. Все попытки выплавить из этого минерала медь привели к неудаче. И металлурги решили, что это происки Ника – злого духа гор.

Вообще говоря, человечество было знакомо с никелем давно. Еще в III в. до н. э. древние китайцы выплавляли сплав, состоящий из меди, никеля и цинка. В древнем среднеазиатском государстве Бактрии из этого сплава приготовляли монеты, одна из них сейчас хранится в Британском музее в Лондоне.

Заблуждения относительно состава купферникеля продолжались даже после того, как этот минерал был описан. В 1726 г. немецкий аптекарь И. Линк исследовал его и установил, что при растворении в азотной кислоте он дает зеленую окраску, а потому скорее всего является кобальтовой рудой с примесями меди. Когда шведские горняки нашли красноватый минерал, который, будучи добавлен к стеклу, не давал синей окраски, они назвали его «кобольд, потерявший душу». Это также был один из никелевых минералов.

Так обстояли дела до 1751 г. В тот год исследованием минерала, найденного на кобальтовом руднике, занялся шведский минералог и химик А. Кронштедт. В одном из опытов он опустил кусочек железа в кислый раствор этой руды. При наличии в растворе меди она должна была выделиться на железе в свободном состоянии. К его великому удивлению, этого не произошло. Раствор меди не содержал. Это шло вразрез с тогдашними представлениями об исследуемой руде. Тогда А. Кронштедт занялся тщательным изучением зеленых кристаллов которые были вкраплены в руду. В результате длинной серии экспериментов он выделил из купферникеля металл, на медь совершенно не похожий. А. Кронштедт описал этот металл как твердый и хрупкий, слабо притягивающийся магнитом, при нагревании переходящий в черный порошок, при растворении дающий великолепную зеленую окраску. Металл содержится в купферникеле, заявлял А. Кронштедт, поэтому можно сохранить для него то же имя, а кратко называть его никель. Сейчас известно, что купферникель – это арсенид никеля.

Многие химики в Европе признали открытие нового элемента. Но кое-кто полагал, что никель – смесь кобальта, железа, мышьяка и меди. Конец сомнениям положил в 1775 г. Т. Бергман, который показал, что названная выше смесь элементов, в каких пропорциях они бы ни присутствовали, не может воспроизвести свойств никеля.

МАРГАНЕЦ

Соединения марганца, в частности его оксид – пиролюзит (MnO₂), были известны и применялись с древних времен в стекольном и гончарном производствах. В 1540 г. итальянский металлург В. Бирингуччио писал, что пиролюзит бывает коричневого цвета, не плавится и окрашивает стекло и керамику в фиолетовый цвет. Было замечено и еще одно удивительное свойство пиролюзита – устранять мутность желтых и зеленых стекол.

Первым, кому, по всей вероятности, удалось получить немного металлического марганца, был австрийский ученый И. Кайм. В 1770 г. он нагревал смесь, состоящую из одной части пиролюзита и двух частей черного плавня (т. е. смесь угля с K₂CO₃ – Авт.), И. Кайм получил кристаллы хрупкого голубовато-белого металла. Видимо, это был загрязненный марганец, однако ученый заключил лишь, что полученный им металл не содержит железа, и не довел до конца свое исследование.

Дальнейшая судьба марганца связана с именем Т. Бергмана, который к этому времени уже подтвердил открытие никеля. Он дал следующую характеристику пиролюзита: минерал, называемый черной магнезией, является новой землей. Ее нельзя смешивать ни с обожженной известью, ни с белой магнезией (т. е. с оксидом магния. – Авт.), Однако, в отличие от И. Кайма, Т. Бергман не сумел, хотя и пытался, выделить металл из пиролюзита.

Третьим, кто поставил целью выделение нового элемента из этого минерала, был К. Шееле. В 1774 г. он представил в Стокгольмскую академию доклад под названием «Относительно марганца и его свойств», подводивший итог его трехлетних исследований пиролюзита. В этой исключительно богатой по содержанию работе он объявил о существовании двух металлов (бария и марганца), а также дал описание двух газообразных элементов (будущих хлора и кислорода). К. Шееле установил, что оксид марганца отличается от всех известных к тому времени земель.

В истории марганца интересны две даты: 16 мая и 27 июня 1774 г. Сначала К. Шееле послал своему другу и соотечественнику И. Гану образец очищенного пиролюзита с просьбой попытаться разложить минерал. В угольный тигель И. Ган поместил смесь порошка пиролюзита с маслом и раздробленным углем и сильно прокаливал содержимое тигля в течение часа. На дне тигля он обнаружил королек металла, который весил примерно в три раза меньше образца исходного пиролюзита. 27 июня, получив от И. Гана образец нового металла, К. Шееле написал своему коллеге, что считает королек, полученный из пиролюзита, новым полуметаллом, отличным от других полуметаллов и похожим на железо. Термин «полуметалл» еще некоторое время сохранялся среди понятий химии и металлургии. Таким образом, И. Гану фактически принадлежит заслуга в выделении металлического марганца. Он как бы поставил точку в истории открытия этого элемента. Правда, полученный им марганец содержал много углерода (чистый металл был получен позднее).

Независимо от И. Гана и К. Шееле, не зная их работ, в 1785 г. металлический марганец получил немецкий химик И. Илземан: он нагревал смесь пиролюзита с плавиковым шпатом, известью и угольным порошком. Полученный продукт был сильно прокален. Но в данном случае марганец получался еще более нечистым. Первоначально металлу было дано латинское название манганезиум от старинного названия пиролюзита (Lapis tnanganensis). Когда в 1808 г. был получен «магний» (магнезиум), то, чтобы избежать путаницы имен, латинское название марганца было изменено на манганум.

БАРИЙ

Барий, так же как и его аналоги по второй группе периодической системы, не встречается в природе в свободном виде. Для него характерно преобладание сульфатных и карбонатных минералов, причем среди них есть минерал, который eщe в начале XVII в., точнее в 1602 г., привлек к себе внимание алхимиков.

В том году В. Касциорало, сапожник из Болоньи, заметил, что тяжелый шпат (сульфат бария), будучи нагретым с углем и олифой и охлажденным затем до комнатной температуры, начинает светиться красноватым светом. Камень называли болонский фосфор, болонский камень, солнечный камень и т. д. Это был сульфид бария BaS. Необычному свечению сразу появилась масса объяснений. Так, французский химик Н. Лемери в своем «Курсе химии» писал, что способность светиться в темноте болонскому камню придает сера. Этим же свойством обладал и другой минерал – фосфор Болдуина (представлявший собой безводный нитрат кальция).

Долгое время, до 1774 г., тяжелый шпат путали с известняком, считая эти минералы за две разновидности одного и того же соединения. В 1774 г. К. Шееле во время своего исследования пиролюзита вместе с И. Ганом открыл новое соединение, которое давало белый осадок с серной кислотой. К. Шееле установил, что тяжелый шпат содержит неизвестную до тех пор землю, которой дали название «баритовая».

К последней четверти XVIII в. оксид бария уже был известен достаточно хорошо; высказывались предположения, что он содержит неизвестный металл. Эта точка зрения находит подтверждение в «Учебнике химии» А. Лавуазье, выпущенном в 1789 г. В «Таблице простых тел» барит относится к числу простых тел. Однако получить новый металл удалось лишь в 1808 г. Г. Дэви по методу, которым он воспользовался при получении кальция (см. главу V).

Свое название барий получил от греческого слова барос – «тяжелый», так как его минералы и оксид были впервые охарактеризованы как имеющие большую массу.

МОЛИБДЕН

История открытия этого элемента отнюдь не богата событиями, даже довольно тривиальна. Лишь один штрих заставляет насторожиться: малораспространенный элемент был открыт хронологически очень рано, в 1778 г., когда химико-аналитический метод только вступал в пору зрелости. Конечно, первоначально молибден был выделен в форме оксида. Само название «молибден» появилось гораздо раньше, чем был обнаружен новый металл. Оно происходит от греческих наименований минерала свинцового блеска (молибдена) и свинца, (молибдос). Они были похожи друг на друга. Но сильно их напоминал по внешнему виду и еще один минерал, который позднее стал известен как молибденовый блеск (сульфид молибдена).

В 1754 г. шведский минералог А. Кронштедт установил различие между этими минералами, признав за молибденовым блеском определенную самобытность. Но требовались доказательства. По счастливому стечению обстоятельств, исследование молибденового блеска попало в руки К. Шееле. Свой анализ молибденита (другое название молибденовой руды) К. Шееле осуществил в начале 1778 г. Обработка молибденита крепкой азотной кислотой привела к образованию объемистой белой массы, которую К. Шееле охарактеризовал как особую белую землю. В то же время на графит азотная кислота не действовала. Тем самым оказывалась налицо разница между графитом и молибденитом. К. Шееле назвал белую землю молибденовой кислотой, поскольку она обнаруживала кислые свойства. Прокалив ее, шведский химик получил оксид молибдена – оксид нового металла. Так считал сам К. Шееле, и его мнение разделял его соотечественник Т. Бергман.

Важным представлялось теперь получение металла из молибденовой земли. К. Шееле даже наметил путь – прокаливание этой земли с углем. Но по ряду причин не осуществил намеченного, а попросил провести реакцию своего друга П. Гильема. Просьба была выполнена в 1790 г. Однако молибден, полученный П. Гильемом, был загрязнен углеродом и карбидом молибдена. Заслуга получения чистого молибдена (восстановление оксида водородом) принадлежит И. Берцелиусу (1817).

ВОЛЬФРАМ

Вольфрам также принадлежит к числу элементов, мало распространенных на Земле, но тем не менее, хотя и в форме оксида, был обнаружен еще в последней четверти XVIII в. В какой-то мере это случайное событие, но, несомненно, открытию вольфрама способствовало становление методов аналитической химии.

Само название «вольфрам» имеет более раннее происхождение. В дословном переводе оно означает «волчья пена». Дело в том, что при выплавке из некоторых руд олова часть металла терялась безвозвратно. Средневековые горняки считали, что олово поглощается содержащимся в руде минералом, который «похищает олово, пожирая его, как волк овцу». Этот минерал и был назван вольфрамом или вольфрамитом. С течением времени он все больше привлекал внимание исследователей. В 1761 г. немецкий минералог И. Леманн проделал анализ вольфрамита, не обнаружив в нем каких-либо новых компонентов. Зато его соотечественник П. Вульф в 1779 г. утверждал, что в вольфрамите содержится «нечто». Был известен и другой странный минерал – тунгстен, или тяжелый камень (его нашел в 1751 г. А. Кронштедт). Именно на него обратил в 1781 г. пристальное внимание К. Шееле, который подействовал на тунгстен (вольфрамат кальция) азотной кислотой, получив в итоге какое-то белое вещество. Оно было похоже на молибденовую кислоту. Прекрасный аналитик К. Шееле сумел показать различие обеих кислот. В силу этих обстоятельств названный ученый и признается автором открытия вольфрама.

Но в то же самое время был близок к открытию соотечественник К. Шееле – Т. Бергман. По его мнению, тунгстен вследствие своей большой плотности, мог содержать баритовую землю. Исследуя минерал, ученый обнаружил в нем кое-что другое – белое вещество, которое он назвал тунгстеновой кислотой. Но далее Т. Бергман пошел по ложному пути, полагая, что и тунгстеновая, и молибденовая кислоты являются производными мышьяка. Проверять это предположение он не стал. В 1783 г. два испанских химика – братья Ф. и X. д’Эльюар выделили из вольфрамита белую кислоту, оказавшуюся аналогичной тунгстеновой. Им же удалось получить элемент в металлическом состоянии, что сумели сделать также Т. Бергман и К. Шееле.

ТЕЛЛУР

Во второй половине XVIII в. в Австрии, а точнее, в той ее части, которая называлась Семигорьем, была открыта странная голубовато-белая руда. Странная потому, что мнения о ее составе расходились. Главным образом спорили о том, содержит ли она золото или нет. Ее названия также были необычными: парадоксальное золото, белое золото и, наконец, проблематичное золото. Кое-кто, правда, полагал, что никакой проблемы не существует, а скорее всего, руда содержит сурьму или висмут или оба элемента вместе. Горный инженер И. Мюллер (впоследствии ставший бароном фон Рейхенштейн) в 1782 г. подверг руду тщательному химическому анализу и выделил из нее металлические корольки, которые, как ему показалось, сильно напоминали сурьму. Но уже в следующем году И. Мюллер решил, что сходство сходством, а, видимо, он имеет дело с новым, ранее неизвестным металлом.

Не полагаясь целиком лишь на свое мнение, исследователь обратился за консультацией к Т. Бергману. Но образец руды, посланный ему, оказался слишком маленьким, чтобы ученый сумел сделать определенные выводы. Удалось доказать лишь одно, что металл И. Мюллера не является сурьмой. Тем, собственно, дело и закончилось. В течение пятнадцати лет никто фактически и не вспоминал об открытии горного инженера из Австрии. Теллуру еще предстояло родиться окончательно.

Его второму рождению способствовал немецкий химик М. Клапрот. На заседании Берлинской Академии наук 25 января 1798 г. он прочел свою статью о золотоносной руде из Семигорья. М. Клапрот повторил то, что в свое время сделал И. Мюллер. Но если последний все же оставался во власти сомнений, то для М. Клапрота их не существовало. Он дал новому элементу название «теллур» (от латинского слова теллус, означающего «Земля»). Хотя Клапрот получил образец руды от И. Мюллера, он отнюдь не желал разделить славу первооткрывателя теллура с И. Мюллером; но, с нашей точки зрения, роль немецкого химика в открытии отнюдь не меньше. Во всяком случае, он определенно возродил к жизни забытый элемент.

И все же есть основания полагать, что к обнаружению теллура причастно третье лицо. Это был профессор химии и ботаники Пештского университета в Венгрии П. Китайбель. В 1789 г. он получил от одного из своих коллег минерал, предположительно молебденит, содержащий серебро. Из него П. Китайбель выделил новый элемент. Потом он нашел, что тот же самый элемент присутствует и в проблематичном золоте. Так, П. Китайбель независимо открыл теллур. Вероятно, он поступил неправильно, что сразу же не опубликовал результаты своих исследований, а лишь разослал описание работы некоторым своим коллегам, в частности венскому минералогу Ф. Эстнеру. Через Ф. Эстнера с данными П. Китайбеля ознакомился М. Клапрот и отозвался о них положительно, но при этом не последовало подтверждения результатов П. Китайбеля. И. Мюллер же обратился к М. Клапроту спустя несколько лет, и немецкий химик тогда сумел выбрать время, чтобы воспроизвести результаты своего корреспондента, которого считал единственным автором открытия и подчеркнул это в своем докладе.

Теллур долгое время считался металлом. В 1832 г. И. Берцелиус доказал его большое сходство с селеном и серой, и элемент был раз и навсегда зачислен в разряд неметаллов.

СТРОНЦИЙ

В 1787 г. близ деревни Стронциан в Шотландии в свинцовой шахте был обнаружен новый минерал – стронцианит. Некоторые минералоги относили его к одной из разновидностей флюорита (CaF₂). Но большинство считали, что стронцианит – разновидность витерита (бариевого минерала ВаСО₃).

В 1790 г. шотландский врач А. Крауфорд тщательно исследовал минерал и пришел к выводу, что соль, полученная действием соляной кислоты на стронцианит, отличалась от хлорида бария. Она лучше растворялась в воде и имела другую форму кристаллов. А. Крауфорд заключил, что стронцианит содержит неизвестную ранее землю.

В конце 1791 г. исследованием стронцианита занялся шотландский химик Т. Хоп. Он четко установил разницу между витеритом и стронцианитом. Также Т. Хоп отметил, что стронциевая земля соединяется с водой активнее, чем негашеная известь; в отличие от оксида бария она гораздо лучше растворяется в воде, а все соединения стронция окрашивают пламя в красный цвет. Т. Хоп доказал, что новая земля не может быть смесью кальциевой и бариевой земель. А. Лавуазье высказывал мысль о металлической природе, но это удалось доказать Г. Дэви в 1808 г.

История открытия стронция будет неполной, если не упомянуть еще об одном ученом, которому, несомненно, принадлежит большая заслуга в изучении стронцианита. Им был русский химик Т. Е. Ловиц, который независимо пришел к выводу, что стронцианит содержит неизвестный доселе элемент. Т. Е. Ловицу принадлежит первенство открытия стронция в тяжелом шпате. Метод получения металлического стронция, предложенный Г. Дэви, не мог дать достаточно чистого продукта. Лишь в 1924 г. П. Даннер (США) получил чистый стронций путем восстановления его оксида металлическим алюминием или магнием.