Как были открыты химические элементы: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

«Эта свинцовая руда, — писал Паллас, — бывает разного цвета, но чаще имеет цвет киновари. Кристаллы этого тяжелого минерала, имеющие форму неправильных пирамид, вкраплены в кварц, словно маленькие рубины…»

П. С. Паллас был путешественником, географом, минералогом — только не химиком. Но именно благодаря ему минерал крокоит стал доступным для исследований в лабораториях Западной Европы. Так он попал в лабораторию одного из крупнейших химиков-аналитиков того времени Л. Воклена.

С тех пор, как И. Леман изучал крокоит, прошло три десятилетия. За это время ученые не раз пытались выяснить его состав, но не обнаруживали в нем новых элементов. Сведения были самые разноречивые. Например, один аналитик даже сообщил, что свинцовая руда содержит молибденовую кислоту, никель, кобальт, железо и медь. Но и Л. Воклен в своих первых опытах не избежал ошибки, найдя в крокоите диоксид свинца, железо и глинозем.

В 1797 г. французский химик решил провести исследование крокоита более тщательно. Он продвигался шаг за шагом, убеждаясь, что минерал не содержит ни мышьяка, ни молибденовой кислоты и трех или четырех известных металлов, ни железа и глинозема. Шаг за шагом опровергал Л. Воклен результаты всех предыдущих анализов. И заключил в итоге: крокоит содержит новый металл, свойства которого отличаются от свойств других металлов.

Л. Воклен кипятил мелко размельченный минерал с карбонатом калия. Желтый раствор, оставшийся после отделения карбоната свинца, содержал, по мнению ученого, калиевую соль неизвестной кислоты. Чуть ли не во все цвета радуги окрашивался этот раствор при добавлении в него различных реактивов: ртутные соли давали красный осадок; соли свинца — желтый; хлорид олова вызывал появление зеленой окраски. Все эти манипуляции убеждали Л. Воклена в том, что он действительно имеет дело с новым элементом. Выделить его теперь в форме оксида оказалось сравнительно простой задачей.

Спустя много лет Д. И. Менделеев писал в «Основах химии», что уральская красная хромовая руда, или хромово-свинцовая соль, оказалась для Л. Воклена источником для открытия хрома, которому он дал название, происходящее от греческого слова, означающего «крашу» (по причине ярких цветов, свойственных соединениям этого элемента). Справедливости ради, нужно сказать, что название хром для нового металла предложили соотечественники Л. Воклена — А. Фуркруа и Р. Аюи. Независимо от Л. Воклена и почти одновременно с ним существование нового металла в крокоите доказал М. Клапрот, но не сделал этого с той же очевидностью, как его французский коллега.

Металлический хром долго не удавалось получить. Пытался это сделать и сам Л. Воклен, но, скорее всего, он приготовил карбид хрома.

БЕРИЛЛИЙ

Видный советский геохимик академик А. Е. Ферсман назвал однажды этот металлический элемент одним из самых замечательных элементов огромного теоретического и практического значения. Но какое бы из качеств бериллия мы ни взяли, оно не будет чем-то из ряда вон выходящим. Бериллий среди других металлов — типичный середняк. Замечательное же состоит в удивительно удачном, словно нарочно придуманном природой, сочетании различных качеств. На примере бериллия отчетливо видно, как история химического элемента зависит от его специфических свойств. По своему химическому поведению бериллий больше похож на алюминий — своего соседа по диагонали в таблице Менделеева, чем на магний — непосредственного аналога по группе. Вот почему алюминий столь долго маскировал присутствие бериллия (так же, как и циркония) в природных минералах.

Из-за четко выраженной амфотерности элемента много лет не удавалось приготовить различные соединения бериллия в достаточно чистом виде. Отсюда следовали разноречивые результаты определения многих свойств элемента, особенно его валентности и атомной массы. Тем самым длительное время не могли окончательно решить вопрос о месте бериллия в периодической системе. Только после того, как было твердо доказано, что его валентность равна двум, формула оксида есть ВеО, а атомная масса составляет 9,01, бериллий раз и навсегда занял самую верхнюю клетку во второй группе менделеевской таблицы. Важную роль здесь сыграли работы русского ученого И. В. Авдеева.

История бериллиевых минералов начинается с очень отдаленных времен. В глубокой древности были известны драгоценные камни — бериллы и изумруды.

Одним из первых занялся изучением бериллов в 1779 г. профессор химии в Берлинской Академии наук Ф. Ахард (до тех пор он прославился лишь разработкой промышленного получения сахара из сахарной свеклы). Шесть анализов провел немецкий химик. Если пересчитать его результаты на современный лад, то они покажут, что в бериллах содержалось: 21,7% кремнезема (оксида кремния), 60,05% глинозема (оксида алюминия), 5,02% оксида железа, 8,3% известковой земли (оксида кальция). В сумме получалось 95,07% (пяти процентов до ста не хватало!), но Ф. Ахард не сделал отсюда никаких выводов.

Похожую «арифметику» получил в 1785 г. соотечественник Ф. Ахарда — И. Биндхейм, в данном случае сумма составных частей равнялась уже 101%. Итак, ничего особенного в бериллах не наблюдалось.

В 1797 г. М. Клапрот, который к тому времени уже успел открыть уран, титан и цирконий и зарекомендовать себя как крупнейший химик-аналитик, получил от русского дипломата и писателя Д. Голицына образцы перуанских изумрудов и их исследовал. Но и М. Клапрот «не добрал» до 100% (66,25% кремнезема, 31,25% глинозема, 0,5% оксида железа, итого 98%). Куда исчезли 2%, ученый не знал и объяснить не пытался. И записать в свой послужной список открытие еще одного, четвертого по счету элемента ему не довелось.

Тем временем во Франции работал другой аналитик, искусный в своем деле ничуть не менее М. Клапрота, Л. Воклен. Начиная с 1793 г. он постоянно изучал бериллы и изумруды. Но и Л. Воклен, кроме уже привычных компонентов — кремнезема, глинозема, извести, оксида железа, ничего другого не обнаружил. Позднее Л. Воклен вспоминал, насколько было трудно осознать существование нового вещества, в особенности когда оно обладало некоторыми свойствами, сходными со свойствами уже известных веществ. Здесь ученый подразумевал близкое химическое сходство оксидов алюминия и будущего бериллия.

Опережая события, назовем Л. Воклена действительным автором открытия бериллия. Логика открытия оказалась не очень-то простой, и она, несомненно, делает честь Л. Воклену. Он рассуждал так: берилл и изумруд весьма похожи и по составу, и по форме своих кристаллов. То есть кристаллическая форма совсем одна и та же, а состав? Предшественники Л. Воклена находили в обоих минералах одинаковые составные части (глинозем, кремнезем, известь), только пропорции их колебались.

После первых неудачных экспериментов Л. Воклен решил четко разобраться в том, почему же так скачет содержание составных частей. Быть может, содержится еще «нечто», которое либо теряется в ходе реакций, либо, образно говоря, прячется за спину одного из компонентов (например, глинозема).

Было у Л. Воклена определенное психологическое преимущество. Он в 1797 г. открыл хром, придающий зеленоватую окраску изумруду и отсутствующий в берилле. Следовательно, отличие берилла и изумруда налицо. Но ведь они могли отличаться не только содержанием хрома. Днем рождения бериллия следует считать 14 февраля 1798 г., когда Л. Воклен в Парижской Академии наук произнес доклад «Об аквамарине, или берилле, и открытии новой земли в этом минерале». Он рассказал, как провел пять последовательных анализов и как от анализа к анализу крепло его убеждение в существовании новой земли. Сначала данные были такие:

Была ли то интуиция или что-то другое, но Л. Воклен заподозрил, что в обоих случаях в глиноземе содержится какая-то примесь. Она очень похожа на глинозем, поэтому ее никак не удавалось обнаружить ранее. Л. Воклену помогло его великолепное чутье аналитика. Ученый обнаружил, что примесь (новая земля) не образует квасцов, подобно глинозему. Потом он нашел и другие отличия. Но признаков сходства все же было больше, и именно благодаря им бериллий так долго как бы прятался за алюминий.

Если бериллиевая земля не глинозем (считал Л. Воклен), то она не является ни одной из известных земель, потому что она отличается от них еще больше, чем сам глинозем.

За сладкий вкус его солей Л. Воклен предложил назвать новый элемент глюцином (символ Gl) от греческого слова, означающего «сладкий». Название же «бериллий», которое и закрепилось, было предложено М. Клапротом, справедливо заметившим, что сладкий вкус имеют некоторые соединения других элементов.

В качестве любопытного исторического момента отметим, что Л. Воклен анализировал алтайские бериллы, которые ему подарил французский минералог и путешественник Э. Патрен.

Открытие Л. Воклена с полной достоверностью подтвердил немецкий химик, профессор химии в Геттингене И. Гмелин. Он анализировал сибирские бериллы из Нерчинска и пришел к тем же выводам, что и Л. Воклен. В виде металла бериллий впервые получили в Германии Ф. Вёлер и Е. Бюсси, действуя на хлорид бериллия металлическим калием. Это случилось в 1828 г., тридцать лет спустя после официальной даты открытия бериллия.

НИОБИЙ И ТАНТАЛ

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.