Читаем Как были открыты химические элементы онлайн бесплатно

Язык науки химии имеет свой алфавит. Его буквы — символы химических элементов; составленные из них слова — это самые разнообразные сочетания букв, бесчисленное разнообразие химических соединений. Их известно сейчас более четырех миллионов, каждую неделю это число увеличивается на шесть тысяч, и, наверное, не будет конца этому словообразованию в химии.

Отдельных букв — элементов несравненно меньше, сегодня их насчитывается всего сто семь. Чтобы составить алфавит химического языка, потребовалось несколько тысячелетий, но подавляющее большинство букв было расшифровано в последние двести лет. За этот короткий период и возникла фактически химическая наука.

Все химические соединения, из которых состоит живая и неживая природа, представляют собой многообразные сочетания восьмидесяти с небольшим элементов. Остальные известные ныне элементы в окружающем нас мире практически не существуют. Ученые создали их искусственным путем, с помощью ядерных реакций. На этом пути возможно получение новых элементов; сколько именно — мы не знаем. Но очевидно, что химический алфавит еще не исчерпан.

В книге будет дано описание того, как этот алфавит создавался, как пытливый ум исследователей позволял открывать — один за другим — все новые и новые химические элементы.

В наше время почти о всех химических элементах написано немало книг, и все вместе они составили бы большую библиотеку. В этих книгах рассказывается о том, в каких минералах и рудах встречаются химические элементы, как их оттуда извлекают, каковы их физические и химические свойства, как они служат человеку в его практической деятельности. Очень многие элементы вызывают удивление своей вездесущностью — разнообразием и неожиданностью областей использования на благо людей. Почти каждый элемент заявляет теперь о себе в полный голос, играет видную роль в современной научно-технической революции.

Но история химических элементов начинается с их открытия. Этим-то важным событиям обширные фолианты, в которых элементы подробно описаны, уделяют мало внимания. В то же время история открытия химических элементов — это большая часть истории человеческих знаний.

Приглашаем вас познакомиться с историями их открытий.

Каждый элемент имеет свою «биографию»; каждая «биография» по-своему интересна. История открытия многих элементов до сих пор не изучена в деталях, и немало спорных вопросов предстоит еще выяснить исследователям, изучающим историю химии. Быть может, кто-нибудь из вас в будущем окажется среди них…

Лет восемьдесят назад немецкий химик Клеменс Винклер, тот самый, кто открыл химический элемент германий, предсказанный Дмитрием Ивановичем Менделеевым под именем «эка-силиция», уподобил мир элементов театральным подмосткам, где непрерывно разыгрывается сцена за сценой, а элементы являются действующими лицами. Каждый элемент, говорил Винклер, играет свою собственную роль. Иногда это роль статиста, иногда главная.

Так характеризовал ученый значение элементов уже открытых и известных людям.

С точки зрения истории открытия не может быть элементов главных и второстепенных. Какой бы элемент мы ни взяли, ознакомление с ним, сам факт констатации его существования представляют важное историческое событие.

Поэтому нужно решить, в какой последовательности рассказывать об открытии элементов.

Можно двигаться от элемента к элементу в порядке увеличения их порядковых номеров: водород, гелий, литий… и так далее до элемента № 107, который еще не имеет названия. Или направить повествование по пути освещения истории открытия элементов, составляющих последовательные группы периодической системы Д. И. Менделеева. Или, наконец, расположить очерки об элементах согласно алфавитному порядку их названий.

Нам кажется, что все эти пути не очень удачны, так как существенно нарушается хронологическая последовательность открытий отдельных элементов. Ее-то мы и положим в основу изложения материала.

Но сначала четко уясним, что именно называется химическим элементом.

Элемент — это совокупность атомов, устроенных определенным образом. Атом состоит из ядра и окружающих его электронов. Ядро имеет целочисленный положительный заряд, обозначаемый латинской буквой Z. Этот заряд, в свою очередь, определяется числом содержащихся в ядре элементарных частиц — протонов. Заряд протона (положительный) равен заряду электрона (отрицательному). Значит, число протонов (Z) в ядре определяет число электронов в электронных оболочках атома. Химические свойства элементов, их индивидуальное поведение зависят от того, как электроны распределены по оболочкам. Следовательно, заряд ядра Z определяет сущность данного химического элемента. Добавим, что величина Z численно равна порядковому номеру элемента в периодической системе элементов. Например, ядро атома кислорода (порядковый номер 8) несет положительный заряд, равный 8, т. е. содержит восемь протонов.

Таким образом, элемент есть совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра Z, который определяет место его (элемента) в периодической системе Менделеева.

Могут ли атомы одного и того же элемента отличаться друг от друга? Оказывается, да. Ведь в состав ядра, помимо протонов, входят нейтроны. По массе они мало отличаются от протонов, но в отличие от последних не несут никакого заряда: они нейтральны. Нет ядер, не содержащих нейтронов (кроме ядра атома самого легкого элемента — водорода, состоящего из единственного протона; однако есть и ядра разновидностей водородных атомов, включающие и нейтроны). Суммарная масса ядерных протонов и нейтронов фактически определяет массу атома, потому что массы электронов очень малы (электрон в 1840 раз легче протона). Разновидности атомов данного элемента, ядра которых содержат разное число нейтронов, называются изотопными атомами или изотопами. Греческое слово «изотоп» означает «одинаковоместный», т. е. все изотопы одного и того же элемента занимают одно и то же место в периодической системе. Примерно три четверти существующих в природе элементов имеют изотопы, или, как говорят, представляют плеяду изотопов. Остальные — так называемые элементы-одиночки. Для них в природе известна только одна разновидность, один сорт атомов.

Но при всей своей, казалось бы, определенности понятие «химический элемент» довольно отвлеченное, обозначающее именно совокупность атомов с данным зарядом ядра. В действительности мы имеем дело с элементами как составными частями различных химических соединений либо находящимися в виде простых веществ. Простое вещество — это форма существования элемента в свободном виде, позволяющая представить себе его внешний облик. Некоторые элементы существуют в природе только в виде простых веществ, другие — и как простые вещества и в составе соединений и, наконец, третьи встречаются исключительно в соединениях с другими элементами. Представители последней группы наиболее многочисленны. Форма существования элементов в природе сыграла важную роль в истории их открытия.

Среди историков химии на сей счет единой точки зрения нет, и существуют более или менее правдоподобные предположения. Дело в том, что встречавшееся еще в древности понятие «элемент» по содержанию своему являлось более широким, нежели то, которое относится к химическому элементу. Оно в значительной степени носило философский характер.

Одна из предлагаемых гипотез состоит в следующем. В соответствии с ней слово «элемент» произошло из букв латинского алфавита: l, m, n и t, при чтении которых получается звуковое сочетание «эль»-«эм»-«эн»-«тэ» или «элементе» (по-латински звучит как «элементум» — elementum). Вероятно, производя слово «элемент» указанным способом, ученые хотели как бы подчеркнуть, что если слова состоят из букв, то различные вещества можно представить себе состоящими из элементов. Такая трактовка столь же проста, сколь и неожиданна. Есть и другие версии, но на них мы останавливаться не будем.

Пока не появилась современная модель атома, понятие элемента во многом носило умозрительный характер. Одно из первых определении этого понятия принадлежит величайшему мыслителю древности Аристотелю: «Элементом называется первооснова вещи, из которой она слагается и которая по виду неделима на другие виды…»[1]. Аристотель считал, что существует единая первичная материя и четыре основных свойства: тепло, холод, сырость и сухость. Их сочетания суть материальные элементы: огонь, вода, воздух и земля. Из них, по Аристотелю, составлены все тела. Вот что представляли элементы в давние времена, а учение Аристотеля на протяжении многих столетий служило своеобразной теоретической основой алхимии и разных натурфилософских учений.

Лишь в XVI столетии знаменитый врач и естествоиспытатель Парацельс сделал представления об элементах более «земными». Он предположил, что все вещества состоят из трех основных начал: ртути, соли и серы, носителей трех качеств: летучести, твердости и горючести.

Предпосылки для правильного понимания природы элементов содержались в учении выдающегося английского химика XVII столетия Р. Бойля. В своей книге «Химик-скептик» Р. Бойль отрицал взгляды на элементы как на носителей определенных качеств. Они, по Р. Бойлю, должны были иметь материальную природу и являться составными частями твердых тел. Кроме того, ученый выступал против представлений об ограниченности числа элементов. Тем самым возможным становилось открытие новых элементов. Но до ясного понимания того, что же должно считаться химическим элементом, было еще далеко, и потому открытия новых элементов часто оказывались событиями, которым ученые не могли дать правильное объяснение.

Существенным прогрессом в этой области стали воззрения А. Лавуазье, который достаточно четко сформулировал представления о простых телах и считал, что все вещества, которые ученые еще не смогли каким-либо образом разложить, являются элементами. А. Лавуазье разделил все простые вещества на четыре группы.

К первой группе относили кислород, азот, водород, а также свет и теплород (что было, конечно, явным заблуждением); ученый считал, что эти простые вещества можно рассматривать как настоящие элементы. Ко второй группе А. Лавуазье отнес серу, фосфор, уголь, радикал муриевой кислоты (будущий хлор), радикал плавиковой кислоты (будущий фтор), радикал борной кислоты (будущий бор). Все это были, по А. Лавуазье, простые неметаллические вещества, способные окисляться и давать кислоты. Далее, третья группа включала простые металлические вещества: сурьму, серебро, мышьяк, висмут, кобальт, медь, олово, железо, марганец, ртуть, молибден, никель, золото, платину, свинец, вольфрам и цинк. Они тоже могли окисляться и образовывать кислоты. И наконец, в четвертую группу ученый объединил солеобразующие вещества («земли»), которые, однако, заведомо были сложными: известь (оксид кальция), магнезию (оксид магния), барит (оксид бария), глинозем (оксид алюминия), кремнезем (оксид кремния). Но о том, что эти вещества суть оксиды неизвестных элементов, в 1789 г. можно было только догадываться. В этой классификации и в комментариях к ней было еще много путаного и неясного, но она стала программой для дальнейшего исследования природы элементов.

Фактически А. Лавуазье не делал различия между понятиями «элемент» и «простое тело». Оно было четко сформулировано в XIX в. благодаря развитию атомно-молекулярного учения, а наиболее отчетливо — в работах Д. И. Менделеева.

Казалось бы, вопрос этот логичнее было бы поставить в конце книги, когда читатель уже познакомится с историей открытия каждого элемента. Всякие рассуждения хороши, когда они подкрепляются фактическим материалом. Впрочем, мы так и поступим, лишь только дело дойдет до заключения. Здесь же мы дадим лишь общую картину, так сказать, «с птичьего полета».

Раскройте с. 213–214 книги, там приведена сводная хронологическая таблица открытий элементов. Какие же из них были открыты в первую очередь? Примерно для десяти элементов в графе «дата открытия» вместо конкретной даты указано: «известен в древности». Понятие «древность» весьма растяжимое, и, приведя такую запись, мы лишь отмечаем, что эти элементы были известны человечеству задолго до нашей эры. Столь же очевидно, что нельзя назвать авторов этих открытий. Ученые далекой от химии специальности — археологи — дают более или менее достоверные сведения о том, когда люди впервые стали использовать тот или иной элемент в древности (конечно, ни в коей мере не отдавая себе отчета в том, что имеют дело с химическим элементом). Вот перечень элементов древности: железо, углерод, золото, серебро, ртуть, олово, медь, свинец, сера. Даже начинающему химику ясно, что они резко отличаются по свойствам. Так почему же они оказались первыми в списке обнаруженных элементов? Быть может, потому, что они наиболее распространены на Земле? (см. рис. на форзаце 2).

В перечне элементов древности только железо и углерод входят в первую десятку элементов по величине распространенности. Достаточно распространенной является и сера. Остальные же редко встречаются на Земле.

Первые места в списке самых распространенных элементов занимают совсем другие элементы: кислород, кремний, алюминий. Люди вдыхали кислород и не знали, что он химический элемент, вплоть до конца XVIII в. Кремний составляет основу земной тверди, а этот химический элемент был открыт только в XIX в. Точно так же, как алюминий, хотя глиной человек пользовался издавна.

А все это значит, что действительная распространенность химических элементов никак не связана с датой их открытия. Следовательно, неправилен тезис: «Чем больше, тем раньше». Так почему же перечисленные элементы древности стали известны в незапамятные времена?