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

Так, в 1754 г. под названием «фиксируемого воздуха» был открыт углекислый газ, и событие это сыграло огромную роль для последующего обнаружения других газов прежде всего потому, что после неизбежных споров и дискуссий ученые стали рассматривать его не как разновидность воздуха, а как самостоятельное вещество, отличное от воздуха, притом содержащееся во многих твердых телах. И поскольку при присоединении углекислого газа к оксидам масса образующегося продукта превышала массу исходного, подрывался основной принцип флогистонной теории. Прошло немало времени, прежде чем удалось это осознать. Флогистонная теория долгое время оставалась по сути дела единственным компасом для объяснения многих наблюдений пневматической химии.

ВОДОРОД

Это один из самых удивительных элементов периодической системы — первый ее представитель, наиболее легкий из существующих газов. Элемент, открытие которого стало ключом к решению многих проблем химической теории. Элемент, атом которого, теряя единственный валентный электрон, становится «голым» протоном. И потому химия водорода — это единственная в своем роде химия элементарной частицы.

Когда-то Д. И. Менделеев назвал водород наиболее типическим из типических элементов (к ним он относил элементы коротких периодов системы): ведь именно водородом начинается естественный ряд химических элементов.

И такой удивительный элемент легкодоступен: в любой школьной лаборатории получить его не составляет труда, например, подействовав соляной кислотой на цинковые стружки.

Еще в те далекие времена, когда химия не была наукой, когда алхимики колдовали над философским камнем, тогда уже были известны такие кислоты, как соляная, серная и азотная, и были известны некоторые металлы, такие, как железо и цинк. Иными словами, в человеческих руках находились все те компоненты, взаимодействие которых порождает водород. Нужен был лишь случай. И таких случаев бывало немало в XVI–XVIII вв. И это лишь те, которые описаны в химической литературе. Много раз исследователи наблюдали, как при действии, скажем, серной кислоты на железные стружки образовывались пузырьки газа — разновидность воздуха, которая воспламеняется.

Среди тех, кому удалось наблюдать выделение загадочной разновидности воздуха, был наш великий соотечественник М. В. Ломоносов. В 1745 г. он написал диссертацию под названием «О металлическом блеске». В ней находим следующие слова: «При растворении какого-либо неблагородного металла, особенно железа, в кислотных спиртах из отверстия склянки вырывается горючий пар…»[3]. (Кислотными спиртами по терминологии тех времен назывались кислоты.) А стало быть, не что иное, как водород, наблюдал М. В. Ломоносов. Но если мы продолжим фразу, оборванную отточием, то прочтем: «…который представляет собой… флогистон». Растворяясь в кислоте, металл исчезал. При этом он выделял горючее начало, горючий пар. Очень удобный повод предположить, что в ходе растворения металл теряет флогистон: все хорошо укладывается в рамки флогистонной теории.

Здесь в нашем повествовании впервые появляется замечательный английский ученый Г. Кавендиш, человек, фанатически преданный науке, великолепный экспериментатор. Г. Кавендиш никогда не торопился с опубликованием результатов своих работ, и порой проходило несколько лет, прежде чем появлялись его статьи. Поэтому трудно назвать точную дату, когда ученый наблюдал и описал выделение горючего воздуха. Известно лишь, что эта работа, проведенная в русле пневматической химии, называлась «Опыты с искусственным воздухом» и была опубликована в 1766 г. Можно также предполагать, что она была сделана под влиянием Дж. Блэка. Г. Кавендиш заинтересовался фиксируемым воздухом и решил проверить, не существуют ли и другие виды искусственного воздуха. Так ученый именовал разновидность воздуха, содержащегося в веществах в связанном состоянии, которые можно выделить из них искусственным путем. О том, что горючий воздух не раз наблюдали, Г. Кавендиш знал. Он сам получал его тем же методом действием серной и соляной кислот на железо, цинк и олово, но, пожалуй, первым убедился окончательно, что во всех случаях образуется один и тот же вид воздуха — все тот же горючий воздух. И первым среди исследователей Г. Кавендиш пришел к идее о самобытности горючего воздуха. Как флогистик, Г. Кавендиш мог лишь однозначно толковать его природу. Вслед за М. В. Ломоносовым он счел будущий водород флогистоном. Изучая и описывая свойства горючего воздуха, он полагал, что исследует свойства флогистона. Г. Кавендиш считал далее, что разные металлы содержат горючий воздух в различных пропорциях. Итак, к фиксируемому воздуху Дж. Блэка добавился горючий воздух Г. Кавендиша. Если взглянуть на вещи строже, то оба эти ученых не открыли чего-нибудь нового. Каждый из них подвел определенные итоги предшествующим наблюдениям. Но эти итоги представляли собой существенные шаги в развитии человеческого познания.

Связанный и горючий воздух отличались от обычного воздуха и друг от друга. Горючий воздух поражал своей легкостью. Как убедился Г. Кавендиш, выделенный им флогистон имел массу. Ученый первым ввел количественную величину для характеристики различных газов — плотность. Приняв за единицу плотность воздуха, Г. Кавендиш получил для горючего воздуха 0,09 (для связанного 1,57). Но тем самым Г. Кавендиш-экспериментатор вступил в противоречие с Г. Кавендишем-флогистиком. Раз горючий воздух имел положительную массу, то его никак нельзя было считать чистым флогистоном. Иначе металлы, теряя горючий воздух, должны были терять и в массе. Спасая положение, Г. Кавендиш выдвинул своеобразную гипотезу: горючий воздух есть соединение флогистона с водой. И смысл в ней был лишь тот, как оказалось потом, что наконец-то в составе горючего воздуха появился водород.

Отсюда следует для нас вполне очевидный вывод: как и его предшественники, Г. Кавендиш не понял природы горючего воздуха, хотя и взвесил его, и описал его свойства, и считал самостоятельным видом искусственного воздуха. Словом, Г. Кавендиш, сам того не подозревая, изучал свой «флогистон» так, как если бы он изучал новый химический элемент. Но Г. Кавендишу и в голову не приходило, что горючий воздух является газообразным химическим элементом, — слишком прочными оказывались путы флогистонной концепции. И даже убедившись, что реальные свойства горючего воздуха противоречат последней, он прибегал к помощи спасительной гипотезы, столь же ложной.

Поэтому, строго говоря, фраза «водород был открыт в 1766 г. английским ученым Г. Кавендишем» является бессодержательной. Г. Кавендиш лишь более детально и с большим пониманием описал процессы получения и свойства горючего воздуха по сравнению со своими предшественниками. Однако он «не ведал, что сотворил». Элементарная природа горючего воздуха осталась за рамками его понимания. Но то не была вина Г. Кавендиша: химия просто еще не созрела для подобного понимания. Понадобились еще годы, прежде чем водород, наконец, стал водородом и обрел свое истинное значение в химии.

Свое латинское название гидрогениум водород получил от греческих слов гидр и геннао, означающих «рождаю воду». Его предложил в 1779 г. А. Лавуазье после того, как был установлен состав воды. Символ Н был предложен И. Берцелиусом.

Водород является удивительным элементом в том смысле, что его изотопы различаются по ряду физических и химических свойств. В свое время подобное различие давало кое-кому из ученых повод рассматривать изотопы водорода в качестве самостоятельных элементов и искать для них специальных мест в периодической системе. Поэтому история открытия изотопов водорода представляет особый интерес, являясь как бы своеобразным продолжением истории открытия элемента.

Обнаружить изотопы водорода ученые безуспешно пытались в 20-х годах нашего столетия, и постепенно сложилось мнение, что водород изотопов не имеет. В 1931 г. было сделано предположение, что все же в водороде присутствует тяжелый изотоп с массовым числом 2. Так как он должен был превосходить своего легкого собрата по массе в два раза, то ученые попытались выделить тяжелый водород физическими методами. В 1932 г. американцы Г. Юри, Ф. Брикведде и Г. Мэрфи проводили испарение жидкого водорода и в остатке спектроскопическим методом нашли искомый тяжелый изотоп. В атмосфере же он был обнаружен только в 1941 г. Название «дейтерий» происходит от греческого слова дейтерос, означающего «другой, второй». Следующий изотоп с массовым числом 3 — тритий (от греческого слова тритос — «третий») — является радиоактивным и был открыт в 1934 г. в Англии М. Олифантом, П. Гартеком и Э. Резерфордом. За основным изотопом водорода закрепилось название «протий». Это единственный случай, когда изотопы одного и того же элемента имеют различные названия и символы (Н, D и Т). На долю протия приходится 99,99%, остальное — дейтерий; трития же ничтожные следы.

АЗОТ

Хотя связанный воздух (углекислый газ) и горючий воздух (водород) впоследствии были обнаружены в составе земной атмосферы, их открытия фактически не были связаны с исследованиями атмосферного воздуха. Последний же продолжали рассматривать как «классический» воздух, и пока никому не приходило в голову, что он является смесью газов. Но именно его исследование позволило пневматической химии достичь наибольших успехов.

Изучение атмосферы подарило человечеству азот. Хотя его открытие связывается с именем определенного ученого и с конкретной датой, следовало бы заметить, что такая простота и ясность обманчивы. Четко выделить линию истории обнаружения азота из общего потока работ по пневматической химии нелегко; можно представить лишь более или менее логическую последовательность событий.

С соединениями азота люди были знакомы с давних времен, например с селитрой и азотной кислотой, и много раз наблюдали выделение бурых паров диоксида азота. Очевидно, не было возможности открыть азот путем разложения его неорганических соединений. Не имея вкуса, цвета и запаха, будучи химически малоактивным, он остался бы незамеченным.

И потому вопрос о том, с чего начать описание истории открытия азота, кажется нам нелегким, а решение его может быть субъективным. Можно начать с 1767 г., когда Г. Кавендиш и одновременно с ним другой, не менее выдающийся английский физик, химик и философ Дж. Пристли стали изучать, как действуют электрические разряды на различные газы. Таких газов в то время было немного: обычный воздух, связанный воздух, горючий воздух. Эти эксперименты не дали определенных результатов, хотя позже было показано, что в процессе электрического разряда во влажном воздухе образуется азотная кислота. Данный факт впоследствии сослужил добрую службу при выяснении газового состава земной атмосферы.

В 1777 г. в частном письме к Дж. Пристли Г. Кавендиш сообщил, что ему удалось получить новую разновидность воздуха, названного удушливым или мефитическим. Г. Кавендиш пропускал обычный воздух над раскаленным углем, повторяя этот процесс многократно. В итоге получался связанный воздух, который поглощался щелочью. Остаток же обычного воздуха и представлял собой мефитический. Г. Кавендиш не стал его исследовать детально, а сообщил Дж. Пристли лишь факт своего наблюдения. К изучению мефического воздуха Г. Кавендиш вернулся позже, многого здесь достиг, но авторство открытия принадлежало уже другому человеку.

Когда послание Г. Кавендиша попало к Дж. Пристли, тот занимался важными экспериментами и невнимательно отнесся к сообщенному ему факту. Дж. Пристли сжигал в определенном объеме воздуха разные горючие тела и прокаливал металлы; при этом образовавшийся связанный воздух удалялся с помощью известковой воды. Самое главное, что заметил Дж. Пристли, состояло в заметном уменьшении объема воздуха. Современный читатель подскажет: в результате обжига металлов или сгорания тел связывался присутствовавший в объеме кислород и оставался азот. Но Дж. Пристли понятия еще не имел о существовании такого газа, как кислород (хотя спустя два года стал одним из авторов его открытия), и для объяснения своего наблюдения обратился к флогистону. Дж. Пристли считал, что результат обжига металлов заключается исключительно в действии флогистона. Оставшийся воздух насыщен флогистоном, и, следовательно, его можно назвать флогистированным, он не поддерживает дыхания и горения.

Таким образом, Пристли держал в руках будущий азот. Но этот первостепенной важности результат рассматривался им как имеющий второстепенное значение. Он видел в существовании флогистированного воздуха доказательство роли флогистона в природных процессах. Это лишнее свидетельство того, насколько ложная концепция флогистона тормозила отыскание истины в деле открытия элементарных газов.

Ни Кавендиш, ни Пристли не сумели, таким образом, понять истинную природу нового газа. Это удалось сделать позже, когда на авансцене химической науки появился кислород. Но ведь и английский врач, ученик Дж. Блэка, Д. Резерфорд, который считается автором открытия азота, по сути дела не совершил ничего принципиально нового по сравнению со своими именитыми коллегами. В сентябре 1772 г. Резерфорд опубликовал магистерскую диссертацию: «О так называемом фиксируемом и мефитическом воздухе», в которой дал описание свойств будущего азота. Этот газ, по Резерфорду, не поглощался известковой водой и щелочью и был непригоден для дыхания. Исследователь назвал его испорченным воздухом.

Не будучи еще открыт по-настоящему и понят как газообразный химический элемент, в 70-х годах XVIII в. азот уже фигурировал под тремя названиями, внося дополнительную путаницу и в без того запутанные химические воззрения, пропитанные стойким «флюидом» флогистона. Флогистированному, мефитическому, испорченному воздуху еще предстояло обрести окончательное имя.

Это имя было предложено в 1787 г. А. Лавуазье и другими французскими учеными, разработавшими принципы новой химической номенклатуры. Его авторы производили слово «азот» от греческой отрицательной приставки а и слова зое, означающего «жизнь». Безжизненный, не поддерживающий дыхания и горения — в этом качестве видели химики основное свойство азота. Потом оказалось, что все это не так, что азот жизненно необходим растительным организмам. Но название «азот» сохранилось. Символ элемента N происходит от латинского названия нитрогениум, означающего «селитрообразующий».

Детальное изучение свойств азота принадлежит Г. Кавендишу. Ученый одним из первых твердо убедился, что флогистированный воздух является составной частью обычного воздуха. В ходе своих экспериментов Г. Кавендиш однажды усомнился в однородности флогистированного воздуха. Он пропускал электрическую искру через смесь последнего с кислородом, превращая эту смесь в оксиды азота, удалявшиеся из сферы реакции. Но при этом всегда небольшая доля флогистированного воздуха (азота) оставалась неизменной, не вступала во взаимодействие с кислородом. Это была маленькая доля, чуть заметный пузырек газа — всего ¹/₁₂₅ часть взятого азота. Наблюдение это датировано 1785-м годом. В чем здесь дело, Г. Кавендиш так и не выяснил. Разгадка пришла сто с лишним лет спустя. О ней вы узнаете в главе IX, посвященной инертным газам.

КИСЛОРОД

Смело можно сказать, что ни один химический элемент не сыграл столь же выдающейся роли в становлении химии, как кислород. Этот поистине животворный воздух в конце XVIII в. позволил химии шагнуть так далеко, как ей еще ни разу не удавалось в предшествующие времена. И прежде всего кислород ниспроверг оказавшуюся весьма живучей концепцию флогистона. При всей ошибочности этой концепции нельзя отрицать ее несомненное историческое значение. Все же до поры до времени она позволяла как-то систематизировать существовавшие химические представления, оценивать различные процессы, протекающие в природе и в лабораториях, с единой (пусть и неправильной) точки зрения. А это придавало исследованиям определенную целенаправленность. Водород и азот были порождениями флогистонных представлений, но изучение этих видов воздуха позволяло постепенно накапливать новые факты, которые требовали объяснения уже с иных позиций. Образно говоря, химия испытывала необходимость взглянуть на себя другими глазами. Такую возможность и дал ей кислород.

…Вопреки теории флогистона, уже давно и не раз высказывались смутные догадки о том, что при сжигании горючих тел и обжиге металлов эти вещества присоединяют к себе некую «субстанцию», содержащуюся в воздухе. Р. Бойль в 1673 г. сделал вывод: при обжиге свинца и сурьмы их вес увеличивается благодаря присоединению к ним мельчайших частиц огненной материи, содержащейся в пламени. «Славного Роберта Бойля мнение ложно», — сказал 80 лет спустя М. В. Ломоносов. Великий русский ученый прямо заявил, что в процессе горения участвует воздух — частицы из воздуха смешиваются с обжигаемым телом и увеличивают его массу.

В эпоху, когда пневматическая химия завоевывала одну позицию за другой, французский химик П. Байен написал работу (1774), в которой рассуждал о причинах увеличения массы металлов при обжиге. Он считал, что при прокаливании к металлу присоединяется особый вид воздуха — упругий флюид, более тяжелый, чем обычный воздух. Этот флюид П. Байен получал разложением ртутных соединений при нагревании. Напротив, действуя на металлическую ртуть, флюид превращал ее в вещество красного цвета.

[3] Ломоносов М. В. Полн. собр. соч., т. I, с. 349–367.