Текст книги "Как были открыты химические элементы"
Автор книги: Дмитрий Трифонов
Соавторы: Валерий Трифонов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 7 (всего у книги 22 страниц)
Ранние судьбы этих элементов оказались настолько переплетенными, что истории их открытий едва ли целесообразно рассматривать каждую по отдельности. Фактически здесь одна история. Она начинается 26 ноября 1801 г., когда английский химик Ч. Хэтчет выступил на заседании Британского королевского общества с сообщением об открытии нового элемента. У ученых аудиторий такого рода сообщения уже давно перестали вызывать сенсации. Доклад Ч. Хэтчета, озаглавленный «Анализ минерала из Северной Америки, содержащего металл, до сих пор неизвестный», был выслушан спокойно. Правда, образец минерала попал к Ч. Хэтчету не непосредственно с берегов Нового Света, а из гораздо более близких краев – из хранилища Британского музея. В каталоге музея минерал был описан как «черная руда, присланная в музей господином Уинтропом из Массачузетса».
Сначала Ч. Хэтчет предположил, что объект изучения является разновидностью сибирской хромовой руды, и ставил перед собой задачу выделить хромовую кислоту. Но все оказалось совсем не так. Теперь известно, что минерал из Массачузетса содержит целый набор металлов и выделить из него новый элемент было нелегким делом. Хрома в минерале не содержалось. Ч. Хэтчет сделал вывод: то, что ему удалось выделить, не является хромовой кислотой. Это оксид неизвестного металла. Отдавая должное месту нахождения минерала, английский химик назвал его колумбитом (в честь Колумба и Колумбии – прежнего названия Америки). Элемент же соответственно стал именоваться колумбием.
Но уже в следующем, 1802 г. произошло событие, придавшее определенную пикантность «пресному» открытию колумбия. Шведский химик А. Экеберг анализировал минералы, найденные близ деревушки Иттербю. В декабре 1802 г. А. Экеберг описал открытие оксида нового металла. Белая масса оксида не растворялась, казалось бы, ни в чем, даже в большом избытке сильных кислот.
Тщетность попыток перевести оксид в раствор и послужила основанием для выбора названия нового металла. А. Экеберг назвал его танталом, имея в виду известное выражение «муки Тантала», характеризующее бесполезные, бесплодные попытки добиться цели. Соответственно исходный минерал получил наименование «танталит». А. Экеберг твердо был уверен, что ему действительно удалось открыть новый элемент, и его убеждения разделяли многие ученые. И тем неожиданнее оказалось исследование английского химика В. Волластона, который в 1809 г. заявил: между колумбием и танталом нет никакой разницы, это один и тот же элемент. Оксиды этих металлов имели близкую плотность и казались В. Волластону весьма похожими по химическим свойствам. Статья ученого прямо так и называлась «Об идентичности колумбия и тантала». Таким образом, получалось, что А. Экеберг фактически лишь переоткрыл колумбий, подтвердил открытие, сделанное Ч. Хэтчетом.
И. Берцелиус, однако, так не считал. Он горячо поддерживал название «тантал», данное А. Экебергом новому элементу, и полагал, что в истории имена английского и шведского химиков должны стоять рядом. Осенью 1814 г. И. Берцелиус в частном письме к шотландскому химику Т. Томсону (первому пропагандисту атомной теории Дж. Дальтона) писал, что он нисколько не желает умалить заслуги Ч. Хэтчета, но считает своим долгом заметить, что свойства тантала и его оксида почти не были известны до работы А. Экеберга. И. Берцелиус полагал далее, что колумбиевая кислота Ч. Хэтчета представляла смесь оксида тантала и вольфрамовой кислоты. Но вскоре выяснилось, что никакого вольфрама в колумбите не содержится.
Лишь три десятилетия спустя один из учеников И. Берцелиуса – Г. Розе раз и навсегда показал: тождества между колумбием и танталом в действительности не существует; следовательно, Ч. Хэтчет и А. Экеберг на самом деле открывали разные химические элементы.
Г. Розе анализировал колумбиты и танталиты из разных месторождений. И всякий раз убеждался, что в них наряду с танталом содержится еще какой-то элемент, близкий по свойствам к танталу. Этого незнакомца Г. Розе окрестил ниобием (в честь Ниобы, дочери мифологического Тантала). Летом 1845 г. в руки ученого попал тот же минерал, в котором некогда Ч. Хэтчет открыл колумбий и Г. Розе выделил из него оксид ниобия, оказавшийся аналогичным оксиду колумбия.
Наконец-то путаница разрешилась. Она объяснялась тем, что ниобий и тантал очень похожи по свойствам и всегда присутствуют вместе и в колумбитах, и в танталитах. По сути дела, и Ч. Хэтчет, и А. Экеберг обнаруживали оба элемента одновременно, не сумев установить между ними какую-либо разницу. В минерале, исследовавшемся Ч. Хэтчетом, несомненно, преобладал ниобий (колумбий). Поэтому важнейшим моментом в биографии обоих элементов явилась разработка метода разделения ниобия и тантала. Это сделал в 1865 г. швейцарский химик Ш. Мариньяк, который установил различную растворимость фтортанталата и фторниобата калия в плавиковой кислоте. И в том же году Ш. Мариньяк впервые правильно определил атомные массы ниобия и тантала. Выделить названные элементы в металлическом состоянии пытались многие химики, но, как правило, получали нечистые металлы. Лишь в начале XX в. В. Болтон в США приготовил ниобий и тантал более чем 99-процентной чистоты.
ПЛАТИНОВЫЕ МЕТАЛЛЫМаленькая деталь характерна для истории платиновых металлов – рутения, родия, палладия, осмия, иридия и платины: с их изучением связано большое количество ложных открытий химических элементов. Это объясняется значительными трудностями исследования природных источников платины и ее спутников. Та платина, с которой люди были знакомы до действительного открытия этого элемента, не была чистым металлом, а содержала различные примеси. Из перечисленных выше элементов платина является второй по распространенности, уступая лишь палладию. Содержание различных платиновых металлов в минералах разных месторождений порой колеблется значительно. Поэтому в истории платины и ее аналогов было много случайностей, и до сих пор остается немало неясностей. Неопределенной выглядит дата открытия платины. Долгое время оставалось неясным, сколько же платиновых металлов существует в действительности. Во многом путало заметное сходство свойств платиновых металлов. Четыре из них – палладий, родий, осмий и иридий – были открыты в первые годы XIX столетия. Это было следствием того, что химический анализ достиг достаточно высокого уровня. Однако не исключено, что лишь стечение обстоятельств помешало более раннему обнаружению спутников платины, во всяком случае, достаточно распространенного палладия.
Среди платиновых металлов платина была открыта раньше других. Датой ее открытия считается 1748 г. Но действительно ли это так?
В трудах древних греков и римлян упоминается о сплаве электрум, который некоторые исследователи отождествляют с платиной. Существует и другое мнение, что электрум есть египетский азем – сплав золота с серебром. Плиний Старший описывал тяжелое белое вещество, встречающееся в песках Галиции и Португалии, но в данном случае, по всей видимости, речь шла об оловянной руде. В гробнице царицы Шапенапит (VII в. до н. э.) была найдена шкатулка, изготовленная из платины.
В 1557 г. итальянский ученый Ю. Скалигер описал существование нового белого металла в Южной Америке. Это был первый определенный намек на платину. Прошло еще почти два столетия. В испанские колонии отправляется экспедиция Парижской Академии наук. В ее составе молодой лейтенант Дон Антонио де Уллоа. Он благополучно возвращается на родину, и в 1748 г. в Мадриде выходит его книга «Исторический отчет о поездке в Южную Америку». В ней он, в частности, рассказывал, что в районе Чоко встретил много золотоносных шахт, но некоторые из них были заброшены из-за большого количества платины. А. Уллоа первым отметил исключительную тугоплавкость и трудность выделения этого металла из пород. Двумя годами позже изучением нового металла занялись английские химики У. Уотсон и У. Броунриг, которые и дали первое научное описание этого металла. В ноябре 1750 г. У. Уотсон описывал открытие нового полуметалла, названного «платино-ди-пинто». Ученый отмечал, что он ранее не был замечен кем-либо из минералогов.
Эти работы способствовали исследованиям нового металла. В 1752 г. шведский химик Г. Шеффер опубликовал подробный отчет об изучении платины, или белого золота. Затем работы в этой области последовали одна за другой. Наиболее интересны две из них. В 1772 г. К. фон Зикинген провел обширное исследование свойств платины, изучил возможность сплавления ее с серебром и золотом, растворимость в царской водке и, что самое важное, одним из первых применил метод осаждения платины из растворов хлоридом аммония. В изучении платиновых металлов эта реакция сыграла большую роль. Но результаты работ К. фон Зикингена не были опубликованы до 1782 г.
Второй цикл работ связан с именем П. Шабанэ. Он первым отметил противоречивость результатов экспериментов, проводимых с платиной из различных месторождений. Сейчас все объясняется очень просто: Шабанэ работал не с чистой платиной, а со смесью шести элементов – платиновых металлов, которые к тому времени не были открыты. Например, когда в платине отсутствовал осмий, металл не был летучим и не загорался, в присутствии осмия сплав был летуч и горел.
Какой же год считать датой открытия платины? Долгий путь прошел металл, прежде чем получил право на существование. Быть может, важнейшая дата в истории открытия платины 1750 г.: ведь именно тогда она была изучена и описана достаточно подробно.
Еще в конце XVII в. бразильские горняки не раз обнаруживали в природе странный сплав. Он фигурировал под разными названиями. Предполагалось, что он содержит золото и серебро. Возможно, это был сплав палладия с золотом. Но действительное открытие второго из платиновых металлов состоялось в 1803 г., благодаря работе английского химика У. Волластона. Изучая сырую (неочищенную) платину, он растворил ее в царской водке, удалил избыток кислоты и добавил к раствору цианид ртути. Выпал желтый осадок. Нагревая его с серой и бурой, У. Волластон получил блестящие металлические шарики. Он назвал новый металл палладием (в честь открытого годом раньше астрономом В. Ольберсом астероида Паллады). Успех У. Волластона в значительной степени объясняется тем, что он правильно нашел осадитель палладия – цианид ртути, который не осаждает другие платиновые металлы.
Открытие палладия получило огласку довольно любопытным путем. Молодой ирландский химик Р. Ченевикс в 1804 г. дал объявление в «Журнале химического образования» о некоем «новом металле для продажи», который представлял собой сплав платины со ртутью. У. Волластон, естественно, не был согласен с этим мнением и выступил в защиту своего открытия со статьей «О новом металле, найденном в сырой платине». В ней он подчеркивал, что металл, предлагавшийся для продажи (намек на слова Ченевикса. – Авт.), названный палладием, содержится в платиновых рудах, хотя и в малых пропорциях.
Современники (и в их числе Л. Воклен) дали высокую оценку достижению У. Волластона, тем более что этот ученый вскоре открыл другой платиновый металл – родий. Первенство выделения палладия, вероятно, можно объяснить тем, что он является самым распространенным платиновым металлом. Кроме того, он встречается в природе в самородном состоянии. Это показали (на примере бразильских платиновых руд, которые до открытия уральской платины были единственным источником исследований) в 1809 г. У. Волластон, а в 1825 г. А. Гумбольдт.
Палладий послужил ключом к открытию родия, которое произошло на рубеже 1803–1804 гг., т. е. еще до того, как весть о палладии проникла в широкие круги.
Источником родия также была сырая платина, разумеется, из месторождений Южной Америки. Неизвестно только, был ли это тот же образец, в котором У. Волластон открыл палладий. Растворив порцию сырой платины в царской водке и нейтрализовав избыток кислоты щелочью, открыватель палладия сначала добавил соль аммония для осаждения платины в виде хлороплатината аммония. К оставшемуся раствору был добавлен цианид ртути (вот где пригодились навыки в выделении палладия), в осадке оказался цианид палладия. Очистив раствор от избытка ртутного цианида и выпарив раствор досуха, У. Волластон наблюдал красивый темно-красный осадок, который, по его мнению, был двойным хлоридом натрия и нового металла.
Эта соль легко разлагалась при нагревании в токе водорода, в результате чего (после удаления хлорида натрия) оставался металлический порошок. Ученый приготовил также новый металл в виде шариков. Родий получил свое название в связи с красным цветом первой полученной его соли (по-гречески родон означает «роза»).
Этот элемент, пожалуй, наименее распространен из всех платиновых металлов. Для него известен лишь один собственный минерал – родит, обнаруженный в золотоносных песках Бразилии и Колумбии. В то же время для других платиновых металлов известно по нескольку минералов.
До сих пор еще не было в истории науки случая, чтобы в течение двух лет в одной стране, в Англии, были открыты сразу четыре новых элемента, причем сходных по свойствам. Одновременно с У. Волластоном изучением платиновых металлов занимался его соотечественник С. Теннант. Но если открытие палладия и родия принадлежит У. Волластону, то выделение осмия и иридия связано с именами и других ученых, хотя заслуга С. Теннанта является наибольшей.
На фоне других платиновых металлов осмий и иридий отличаются специфическими свойствами, благодаря которым они и получили свои названия. Первый – от греческого слова осмэ – «запах», поскольку оксид осмия обладает резким специфическим запахом и летуч. Второй обязан своим названием большому разнообразию окраски солей (ирис по-гречески означает «радуга»). Художник мог бы составить палитру из иридиевых красок, не будь они так дороги. Эти примечательные свойства и способствовали обнаружению очередных платиновых металлов.
Так же как и У. Волластон, С. Теннант растворял сырую платину в разбавленной царской водке. На дне реторты он обнаружил черный осадок с металлическим блеском. Это явление наблюдали раньше при экспериментах с платиной, но полагали, что осадок является графитом. С. Теннант же летом 1803 г. пришел к предположению, что осадок, скорее всего содержит новый металл. Осенью того же года французский химик А. Колле-Декоти также заключил, что осадок содержит металл, дающий красную окраску, осаждаясь из аммонийных платиновых солей. В свою очередь, Л. Воклен нагревал черный порошок со щелочью и получил летучий оксид. По мнению Л. Воклена, это был оксид металла, о котором говорил А. Декоти. Наблюдение С. Теннанта вызвало цепную реакцию исследований. Сам же английский химик упорно продолжал свои анализы и весной 1804 г. доложил Британскому королевскому обществу, что порошок содержит два новых металла, которые могут быть довольно легко отделены друг от друга. В 1805 г. была опубликована его статья «О двух металлах, найденных в черном порошке, образующемся после растворения платины». В статье впервые фигурировали названия «осмий» и «иридий».
Пресловутый черный порошок, по всей вероятности, представлял собой природный сплав осмия с иридием, или, короче, осмиридий. Иридий, как известно, устойчив по отношению к химическим воздействиям, в компактном виде не растворяется даже в царской водке. Осмий, напротив, легко в ней растворим, да и вообще он отличается наибольшей химической индивидуальностью среди платиновых металлов. Эти обстоятельства помогли сравнительно быстрому и легкому разделению иридия и осмия.
Английский химик и минералог В. Бранде в 1817 г. в лекции, посвященной открытию платиновых металлов, справедливо заметил, что если оценить всю химию с точки зрения точности современного анализа, то было бы нелегко найти более поразительную историю, чем история открытия и разделения платиновых металлов.
Но все ли они были открыты? Этот вопрос не раз ставили ученые. Шли годы, но они не приносили ничего нового, во всяком случае ничего достоверного. Лишь в 1844 г. был открыт последний из них – рутений, столь же распространенный в природе, как и платина. Самая тяжелая по атомной массе платина была открыта первой, самый легкий рутений – последним. Почему это так, остается загадкой. Решил случай. Ведь изучение платиновых металлов было исключительно трудным делом, требующим большого искусства и глубоких знаний химии.
Рутению принадлежит честь быть первым химическим элементом, который был открыт русским ученым. Автором открытия является Карл Карлович Клаус. Открытие рутения было последним в семействе платиновых металлов, причем произошло оно через сорок лет после открытия иридия.
В 1828 г. профессор Дерптского (Тартуского) университета Г. В. Озанн исследовал остатки после растворения сырой уральской платины в царской водке и обнаружил, что они содержат три новых элемента: плуран, полин и рутений. Однако И. Берцелиус, которому Г. Озанн послал письмо о своих результатах, открытия не подтвердил. Здесь кроется немаловажная причина того, что следующие исследования этих платиновых остатков были начаты лишь в 1841 г. Авторитет И. Берцелиуса в то время был настолько велик, что не находилось в мире химиков, которые пытались бы с ним спорить.
Второй причиной столь позднего открытия рутения является большое его сходство со своими братьями по семейству. До К. К. Клауса изучением этого вопроса в России занимался польский ученый А. Снядецкий, который также сообщил об открытии им нового элемента, названного в честь астероида Веста. Но его открытие оказалось ошибочным.
К. К. Клаус начал свои исследования в 1840 г. В этом ему большую помощь оказал тогдашний министр финансов России Е. Ф. Канкрин, деловой и энергичный человек. К. К. Клаус получил 2 фунта остатков сырой платины и извлек из них, кроме 10% платины, немалое количество иридия, родия, осмия и палладия. Кроме того, К. К. Клаус выделил смесь различных металлов, в которой, по его мнению, должно было содержаться новое вещество.
Прежде всего К. К. Клаус повторил работы Г. Озанна. Затем он начал эксперимент по своему плану. Результаты оказались блестящими. В 1844 г. он опубликовал отчет на 188 страницах. Ученый сообщил научному миру следующие результаты: результат анализа остатков (имеются в виду остатки растворения платины в царской водке); новые методы разделения металлов платиновой группы; методы работы с бедными остатками; открытие нового металла – рутения; результаты анализа бедных остатков и простейшие методы разделения платиновых руд и остатков; новые свойства и соединения ранее известных металлов платиновой группы. Это была целая энциклопедия по химии платиновых металлов.
К. К. Клаус выделил 6 г нового элемента из его двойной соли с калием. Он послал сообщение об этом И. Берцелиусу, но тот опять отнесся скептически. Здесь проявилось все мужество К. К. Клауса, который пошел вопреки мнению маститого ученого. Русский ученый доказал правоту своего открытия, и в 1845 г. И. Берцелиус заявил о признании им нового элемента. В России же была создана комиссия в составе академиков Г. И. Гесса и Ю. Ф. Фрицше для проверки результатов работ К. К. Клауса. Комиссия также подтвердила открытие. За это открытие К. К. Клаусу была присуждена полная Демидовская премия – 1000 рублей.
Название элемента происходит от латинского названия России (Рутениа). К. К. Клаус дал такое название, движимый патриотическими чувствами и желая показать, что все работы в этой области были выполнены в России (Г. Озанн, А. Снядецкий, К. Клаус).
В общей сложности К. Клаус потратил 20 лет жизни на изучение платиновых металлов. Его можно по праву назвать родоначальником отечественной школы изучения платины и платиновых металлов.
ГАЛОГЕНЫС этими элементами люди по-настоящему познакомились в XIX в. Правда, открытия фтора и хлора относят к 70-м годам XVIII в. Но то, что хлор – химический элемент, поняли лишь около 40 лет спустя. Фтор же целое столетие прятался под маской своих соединений, прежде чем его удалось, наконец, выделить в свободном виде. Зато иод и бром сразу же предстали как простые вещества.
Как видно, их исторические судьбы различны. Но в науке, и особенно в химии, совокупность этих четырех элементов, названных в свое время (1811) галогенами, сыграла своеобразную роль.
Все они детище химико-аналитического метода исследования, хотя свободный фтор был приготовлен электрохимическим способом.
