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

В древности сурьму путали со свинцом. Лишь в алхимической литературе эпохи Возрождения сурьма определяется достаточно точно. У Г. Агриколы уже точно указывается, что сурьма представляет собой металл, отличающийся от других металлов. Василий Валентин посвятил сурьме целый трактат «Триумфальная колесница антимония». В нем он описал применение сурьмы и ее соединений.

По поводу латинского названия сурьмы — антимоний — существует несколько версий. Скорее всего, название происходит от греческого слова антимонос — противник уединения, чем подчеркивается совместное присутствие сурьмы с другими минералами.

Русское слово «сурьма» имеет тюркский корень. Первоначальное его значение — грим, мазь, сохранившееся до нашего времени в некоторых восточных языках. Русское название «сурьма» было введено в 1724 г.

ВИСМУТ

Висмут известен человечеству давно, но его на протяжении долгого времени путали с сурьмой, свинцом и оловом. Парацельс, например, отмечал, что известны две разновидности антимония: одна обычно черная, с ее помощью очищается золото, и она очень похожа на свинец; другая же разновидность белая, которую называют также висмутом, она сходна с оловом, а при смешивании с другой разновидностью становится похожей на серебро. Такая путаница продолжалась долгое время. С химической точки зрения это объясняется просто. Сурьма и висмут — элементы-аналоги, обладающие вместе с тем и рядом сходных свойств со свинцом и оловом, элементами соседней группы.

Агрикола в отличие от Парацельса, дал довольно детальное описание висмута и способа его извлечения из руд, добываемых в Саксонии. Горняки считали, что висмут, как и олово, является разновидностью свинца и что висмут способен превращаться в серебро.

В Центральной России висмут известен с XV в. С развитием книгопечатания висмут вместе с сурьмой стали применять для изготовления типографских шрифтов. Пожалуй, найдется мало элементов, которые встречались бы в литературе под столь большим количеством названий, как висмут. Е. фон Липиман в своей книге «История висмута с 1480 по 1800 г.» указывает двадцать одно название этого металла в Европе. Достаточно полное представление о висмуте как о самостоятельном металле сложилось только в XVIII в. Название «висмут» происходит от искаженных немецких слов вис и мат — белая масса.

ЦИНК

Цинк относится к элементам, соединения которых были известны человечеству с давних времен. Наиболее известным минералом цинка был галмей, или каламин, — карбонат цинка. При его прокаливании получался оксид цинка, находивший довольно широкое применение, например, при лечении глазных болезней.

Оксид цинка сравнительно легко восстанавливается до свободного металла, но получить цинк в металлическом виде удалось гораздо позже, чем были получены медь, железо, олово и свинец. Дело в том, что для восстановления оксида цинка углем требуется высокая температура (~1100°C). Температура кипения металла — 906°C, поэтому пары цинка легколетучи и уходят из сферы реакции.

Раньше, чем был получен сам металл, руды цинка применяли для приготовления латуни — сплава цинка и меди. Латунь была известна в Греции, Риме, Индии и Китае. Точно установлено, что римляне впервые получили латунь во времена императора Августа (20 г. до н. э.–14 г. н. э.). Интересно, что римский способ получения латуни не менялся вплоть до XIX в.

Установить, когда был получен металлический цинк, невозможно. В доисторических дакийских развалинах найден идол, содержащий 27,5% цинка. Возможно, что цинк получали при производстве латуни как побочный продукт.

В X–XI вв. искусство получения цинка в Европе было утрачено, и цинк ввозился из Индии и Китая. Считается, что впервые промышленное производство цинка было налажено в Китае. Способ производства был крайне прост. Глиняные горшки, наполненные каламином, плотно закрывали, складывали в пирамиду, промежутки между ними заполняли углем, и горшки нагревались докрасна. После охлаждения горшки разбивали и извлекали слитки металла. Горшки служили конденсаторами паров цинка.

Вторично получение цинка в Европе стало известно в XVI в., причем уже к тому времени цинк признавался как самостоятельный металл. В течение последующих двух веков много химиков и металлургов занималось методами выделения цинка. Тут большая заслуга принадлежит А. Маргграфу, который в 1746 г. опубликовал обширное исследование «Методы выделения цинка из его природного минерала каламина». Он также показал, что свинцовые руды из Раммельсберга (Германия) содержат цинк и что цинк можно также получить из сфалерита — природного сульфида цинка.

Название «цинк» происходит от латинского слова, обозначающего бельмо или белый налет. Ряд других исследователей сопоставляют название «цинк» с немецким словом цинн — олово.

ГЛАВА III.

ЭЛЕМЕНТЫ ВОЗДУХА И ВОДЫ

В этой главе мы расскажем о трех элементарных газах: водороде, азоте и кислороде, открытие которых стало важнейшим событием в химии второй половины XVIII в. Из азота и кислорода состоит практически вся земная атмосфера (остальные газы — малая примесь). Водород и кислород образуют одно из самых удивительных соединений — воду. Все три элемента вместе с углеродом являются органогенами; они входят в состав всех животных и растительных организмов без исключения.

Открытия водорода, азота и кислорода, когда они были правильно поняты, сыграли исключительно важную роль в развитии химии, так как способствовали появлению многих современных химических понятий и представлений. Вот лишь краткий перечень достижений, прямо связанных с обнаружением этих газов: разработка кислородной теории горения (А. Лавуазье); возникновение атомистической теории (Дж. Дальтон); появление теории кислот и оснований; использование кислородной и водородной шкал атомных весов (масс); представление о водороде как о первичной материи, из которой образовались все прочие элементы (В. Праут).

В истории элементов открытия водорода, азота и кислорода занимают особое положение. Понимание их истинной природы явилось сложным, противоречивым, растянутым во времени процессом. Обнаруживая при химических операциях новые газообразные продукты — будущие водород, азот, кислород, ученые еще не знали, что имеют дело с новыми химическими элементами.

С давних времен был известен лишь один вид газа — воздух, и был он предметом физических исследований. В сферу интересов химии воздух не включался. А те газообразные продукты, которые образовывались в различных процессах, например при брожении или гниении, ученые считали разновидностями воздуха. Само понятие «газ» появилось только в начале XVII в. Его ввел знаменитый естествоиспытатель И. Ван-Гельмонт. Он производил его от греческого слова, означающего хаос. Однажды И. Ван-Гельмонт сжег 62 фунта древесины, из которых получил только 1 фунт золы. Во что же превратилось остальное? В «лесной дух», считал Ван-Гельмонт. Этот дух, который прежде был неизвестен, я называю новым именем — газ, написал ученый. Теперь мы знаем, что он имел дело с углекислым газом, который спустя 100 с лишним лет был снова получен английским физиком Дж. Блеком. Но И. Ван-Гельмонт не понял сути своего открытия. Только разновидность воздуха видел он в «лесном духе».

Стало быть, мы не имеем права применять по отношению к элементам воздуха и воды термин «открытие нового элемента» (в том смысле, как это стало возможным позже). Но, с другой стороны, открытия водорода, азота и кислорода существенно отличаются от тех совершенно случайных открытий, которые происходили в донаучный период развития химии. Во-первых, потому, что в XVIII в. существовала вполне определенная теоретическая концепция, получившая название флогистонной теории. Во-вторых, потому, что во многом благодаря И. Ван-Гельмонту газообразное состояние материи стало, наконец, объектом химических исследований, и здесь родилось новое направление химической науки — пневматическая химия. Она разработала свои методы исследования и необходимую экспериментальную аппаратуру. Иными словами, к открытию элементарных газов привели целенаправленные экспериментальные исследования, опиравшиеся на теоретические представления. И прежде чем приступить к рассказу об этих открытиях, нам придется остановиться на теории флогистона и пневматической химии.

По своему содержанию теория флогистона была очень проста, а потому и казалась убедительной. Ее название происходит от греческого слова флогистос, обозначающего «воспламеняющийся». Для чего она была нужна? Для объяснения процессов, протекающих при горении, обжиге металлов и дыхании. Суть их была непонятна. Вот и возникла идея о существовании материи, которая как бы является главным действующим лицом во всех упомянутых процессах, — появилась идея о флогистоне.

Хотя мысли о «горючей материи» в той или иной форме высказывались несколькими учеными, подлинным основателем концепции флогистона считается немецкий химик и врач Г. Шталь. Вот как рассуждал этот исследователь. Тела могут гореть только благодаря наличию в них флогистона. Чем больше флогистона содержит данное тело, тем активнее оно сгорает. Уголь — вот пример вещества, состоящего почти из одного флогистона. При обжиге металлов они превращаются в «извести» (земли) вследствие потери флогистона. Если к прокаленному металлу добавить флогистон, снова получится чистый металл. Хороший пример тому — прокаливание металлической окалины с углем. Процесс, хорошо известный даже древним металлургам.

На языке представлений современной химии все это означает следующее: в ходе реакции окисления (например, образование оксида при обжиге металла) флогистон теряется; при реакции восстановления (прокаливание оксида металла с углем) флогистон, напротив, приобретается. Все очень просто и очень наглядно. Но даже начинающему химику в наше время видно, что теория флогистона ошибочна. Ведь из нее следовало, что вес вещества при горении должен уменьшаться, а не увеличиваться; оксид металла должен быть легче самого металла. Если принять концепцию флогистона, то металлы надо рассматривать как сложные вещества (металл+флогистон), а их оксиды (земли) — как простые (металл–флогистон).

И тем не менее теория флогистона просуществовала в науке около столетия, и ее ревностно исповедовали крупнейшие химики того времени, в том числе Г. Кавендиш, Дж. Пристли и К. Шееле, с именами которых и связаны открытия элементов воздуха и воды. На начальных стадиях этих открытий представления теории флогистона сыграли существенную роль.

Пробудившийся у химиков интерес к изучению газов способствовал возникновению пневматической химии, и это был второй логически неизбежный шаг к ознакомлению с будущими водородом, азотом и кислородом. Изучение газов долго затруднялось тем, что не было удобных методов их получения, собирания и, наконец, исследования их свойств. Мочевой пузырь животных служил едва ли не единственным экспериментальным прибором — емкостью, куда можно было собирать выделяющиеся газы и взвешивать их. Познавать газ оказалось значительно труднее, чем изучать твердые и жидкие вещества.

В начале XVIII в. английский ученый С. Гейлс изобрел пневматическую ванну. В этом аппарате сосуд, где образовывался газ (реторта с реакционной смесью), был отделен от приемника, где выделяющийся газ собирался. Роль приемника выполняла перевернутая колба, заполненная водой. Проникая в нее, пузырьки газа вытесняли воду, и колба заполнялась исследуемым газом.

Пневматической ванной воспользовался другой английский ученый Дж. Блэк (один из основателей пневматической химии). Он изучал вещества, давным-давно известные, — известь и белую магнезию (карбонаты кальция и магния). При обжиге и действии кислот из них выделялся газ. Теперь легко сообразить, что это был тот самый «лесной дух», который получал И. Ван-Гельмонт, сжигая древесный уголь. Но И. Ван-Гельмонт не пошел дальше констатации факта и туманных рассуждений. Дж. Блэк же заметно продвинулся вперед. Он обратил внимание на то, что образующиеся (после обжига или действия кислот) вещества могут быть вновь переведены в исходное состояние.

Современный химик прокомментирует достижение Дж. Блэка следующим образом: ученый провел прямую реакцию (разложил карбонаты на оксиды и углекислый газ) и осуществил обратную реакцию (присоединил углекислый газ к оксидам, получив исходный продукт). Масса исходных продуктов полностью восстанавливалась, и тем самым Дж. Блэк сделал то, чего ранее никому не удавалось.

Он взвесил газ в связанном состоянии. Этот газ он назвал связанным или фиксируемым воздухом. Газ выделялся в процессах брожения, при горении древесного угля, но не поддерживал дыхания и горения. И являлся, согласно Дж. Блэку, самостоятельной составной частью атмосферного воздуха.