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

На констатации указанных фактов П. Байен, к сожалению, остановился. Однако вскоре вы убедитесь, что фактически ученый имел дело с кислородом. Обратите внимание на два момента: дату 1774 г. и вещество, фигурировавшее в исследованиях Байена, — красный оксид ртути. В том же году с тем же соединением экспериментировал Дж. Пристли. Незадолго до этого он обнаружил, что в присутствии зеленых растений фиксируемый воздух, не поддерживающий дыхания, как бы снова становится обычным воздухом, пригодным для дыхания животных. Это был факт огромной ценности не только для химии, но и для биологии. Дж. Пристли впервые доказал выделение растениями кислорода.

В начале 70-х годов XVIII в. уже был известен так называемый селитряный газ, выделявшийся при действии разбавленной азотной кислоты на железные стружки (с современной точки зрения это оксид азота). Оказалось, что селитряный газ можно превратить (действуя им на влажные железные опилки) в иную разновидность воздуха, поддерживающую горение, но не поддерживающую дыхание. Так, Дж. Пристли открыл другой оксид азота N₂O, назвав его, по логике флогистонной теории, дефлогистированным селитряным газом. В непрестанных трудах встретил Дж. Пристли день 1 августа 1774 г., которому суждено было стать замечательной датой в истории химии.

Дж. Пристли поместил в замкнутый сосуд красный оксид ртути и направил на него солнечные лучи, сфокусированные большой линзой. Вещество стало разлагаться с выделением газа и образованием блестящей металлической ртути (спустя годы этот газ обретет имя «кислород» и окажется третьим элементарным газом). В отличие от азота кислород не был первоначально выделен из атмосферы. Новая разновидность воздуха была извлечена из твердого химического соединения. Газ Пристли оказался пригодным для дыхания. Свеча, помещенная в атмосферу этого газа, горела куда более ярко, чем в обычном воздухе. При смешивании его с воздухом ничего не наблюдалось, но при смешивании газа Пристли с селитряным газом возникали бурые пары (что в современной трактовке означает образование NO₂ из NO). Впрочем, такая же картина наблюдалась и при соприкосновении селитряного газа с обычным воздухом, хотя и не столь отчетливо. Дж. Пристли оставалось лишь произнести фразу: «Новый газ является составной частью воздуха». Однако он явно был не готов произнести ее, а назвал новый вид воздуха дефлогистированным. Вряд ли что другое можно было ожидать от приверженца флогистонной теории.

После сделанного открытия — важный штрих в истории кислорода — Дж. Пристли отправился в Париж, где рассказал о своих опытах А. Лавуазье и некоторым другим французским ученым. А. Лавуазье сразу оценил все значение наблюдений своего английского коллеги, оценил гораздо правильнее и яснее. Дж. Пристли же (и здесь опять выявляется живучесть флогистона!) рассуждал о дефлогистированном воздухе, наслаивая заблуждение на заблуждение. Он не мог понять всего величия сделанного им открытия. Дж. Пристли считал дефлогистированный воздух сложным веществом. Лишь в 1786 г. под влиянием воззрений А. Лавуазье он стал рассматривать дефлогистированный воздух в качестве газообразного элементарного тела.

Итак, П. Байен и Дж. Пристли — вот два естествоиспытателя, кому удалось обнаружить кислород. К этим именам необходимо добавить третье имя — выдающегося шведского химика К. Шееле. Оно стало широко известным ученому миру в 1777 г., когда К. Шееле опубликовал книгу «Химический трактат о воздухе и огне». Книга была написана в 1775 г., и лишь по вине издателя публикация ее задержалась на два года. Это досадное обстоятельство лишило К. Шееле права именоваться первооткрывателем кислорода, хотя он описал его еще в 1772 г., причем полнее и четче, чем это сделали П. Байен и Дж. Пристли. Свой кислород (огненный воздух) К. Шееле получал разными путями, разлагая неорганические соединения. Перегоняя селитру с серной кислотой, он выделил бурые пары. При высокой температуре они обесцвечивались. Эти обесцвеченные пары К. Шееле собрал и признал новым газом — огненным воздухом, в котором, как у Дж. Пристли, свеча горела гораздо ярче, нежели в обычном воздухе. К. Шееле предполагал, что огненный воздух — составная часть обычного. Смешав его с мефитическим воздухом, или испорченным воздухом Резерфорда, К. Шееле получил смесь, ничем от обычного воздуха не отличающуюся. Ученый фактически понял, что атмосферный воздух есть смесь будущих азота и кислорода. Впрочем, этот момент представляется очевидным лишь с высот более поздних знаний. К. Шееле же увела в сторону его приверженность к концепции флогистона. Сжигая горючий воздух (водород) в сосуде с воздухом, шведский химик не обнаружил никаких продуктов взаимодействия горючего воздуха с огненным. Вывод отсюда следовал такой, что в результате взаимодействия образуется теплота. Соединяясь с флогистоном, думал К. Шееле, огненный воздух дает теплоту (теплота, по Шееле, носила материальный характер), а ее «разложение» ведет к выделению огненного воздуха — кислород рождается пламенем.

К. Шееле открыл огненный воздух, ничего не зная об опытах Дж. Пристли, и 30 сентября 1774 г. написал об этом А. Лавуазье. Остается лишь сожалеть, что результаты работ К. Шееле были опубликованы с запозданием. Появись они раньше, вероятно, процесс познания природы элементарных газов, процесс мучительный и противоречивый, мог бы заметно ускориться.

Их подлинное познание стало возможным благодаря деятельности одного из наиболее выдающихся химиков всех времен — А. Лавуазье. Период времени, в течение которого существовала флогистонная теория, позволил накопить огромный фактический материал, который способствовал свершению революции в химии. Здесь главная заслуга принадлежит А. Лавуазье и — в его руках — кислороду, правильно понятому. Как писал Ф. Энгельс: «…Лавуазье смог открыть в полученном Пристли кислороде реальный антипод фантастического флогистона и тем самым ниспровергнуть всю флогистонную теорию. Но это отнюдь не означало устранения опытных результатов флогистики. Наоборот, они продолжали существовать; только их формулировка была перевернута, переведена с языка флогистонной теории на современный химический язык, и постольку они сохранили свое значение»[4].

Путь А. Лавуазье к кислороду был гораздо более четким и определенным, чем у его современников. Правда, так же как и они, французский ученый поначалу апеллировал к флогистонной теории, но, чем больше накапливал он новых фактов, тем решительнее склонялся к ее отрицанию. Еще 1 ноября 1772 г. он закончил описание своих опытов по сжиганию различных веществ в воздухе. Масса всех тел, в том числе и металлов, делал вывод А. Лавуазье, увеличивается при горении и прокаливании.

Поскольку для всех этих процессов необходимо большое количество воздуха, А. Лавуазье сделал и другой вывод. Воздух является смесью газов с различными свойствами. Определенная часть его поддерживает горение и связывается с горящим веществом. Сначала А. Лавуазье предполагал, что этот вид воздуха подобен связанному воздуху Дж. Блэка, но вскоре убедился в своей ошибке. В феврале 1774 г. французский ученый обнаружил, что воздух, взаимодействующий с веществом при горении, оказывается наиболее пригодным для дыхания. Тем самым А. Лавуазье лицом к лицу столкнулся с будущим кислородом, но, рассчитывая провести дополнительные опыты, не решился заявить об открытии нового газа.

В октябре 1774 г. Дж. Пристли сообщил А. Лавуазье о своем открытии, и эта информация показала французскому химику истинную цену его собственного наблюдения. Он тут же начал эксперименты с красным оксидом ртути — наиболее подходящим «генератором» кислорода. В апреле 1775 г. А. Лавуазье сделал в Академии наук доклад: «Мемуар о природе вещества, соединяющегося с металлами при прокаливании и увеличивающего их вес». Это и было сообщение об открытии кислорода. «Этот воздух, — говорил Лавуазье, — был открыт почти в одно время Пристли, Шееле и мною. Я дал ему сначала название в высшей степени легко вдыхаемого, или весьма удобовдыхаемого, но затем заменил названием „жизненный или живительный воздух“».

Уже одно это показывает, насколько дальше продвинулся А. Лавуазье в понимании природы кислорода, чем его современники. Жизненный воздух становится теперь предметом всесторонних исследований. Ученый, далее, приходит к выводу, что наиболее удобовыдыхаемый воздух является кислотообразующим началом, важнейшей составной частью всех кислот. Позднее эта точка зрения оказалась неправильной (когда на примере галогеноводородных кислот были описаны бескислородные кислоты), но тогда в 1779 г. А. Лавуазье счел возможным отразить это качество нового газа в его названии «кислород» или «оксиген»: от греческих слов, обозначающих «рождаю кислоту».

Заключительным аккордом становления кислородной теории стало выяснение состава воды. В 1781 г. Г. Кавендиш наблюдал, что при сжигании горючего воздуха он почти целиком вместе с дефлогистированным воздухом превращается в чистую воду. Однако свои результаты английский ученый опубликовал только в 1784 г. Зная об этих опытах Г. Кавендиша и повторив их, А. Лавуазье пришел к выводу, что вода не есть простое вещество, а состоит из горючего воздуха и живительного воздуха. Этот вывод относится к 1783 г., поэтому А. Лавуазье и считают первым, кто установил состав воды. Однако в действительности первым был Г. Кавендиш. Выяснение состава воды позволило правильно понять природу водорода.

История открытия кислорода показательна в том хотя бы смысле, что процесс открытия нового химического элемента здесь не является одноактным событием. Понадобилось несколько последовательных шагов, чтобы от эмпирического наблюдения кислорода дойти до правильного понимания его природы как газообразного химического элемента. Кроме того, для кислорода (но также и для других элементарных газов) характерно то обстоятельство, что подлинное открытие его не было делом рук лишь одного человека. Вот как говорил Ф. Энгельс: «Пристли и Шееле описали кислород, но они не знали, что оказалось у них в руках… И если даже Лавуазье и не дал описания кислорода, как он утверждал впоследствии, одновременно с другими и независимо от них, то все же по существу дела открыл кислород он, а не те двое, которые только описали его, даже не догадываясь о том, что именно они описывали»[5].

ГЛАВА IV.

ЭЛЕМЕНТЫ, ОБНАРУЖЕННЫЕ ХИМИКО-АНАЛИТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

В этой главе речь пойдет о тех элементах, открытия которых явились результатом химического анализа природных объектов, главным образом различных минералов. Химия все более и более оформлялась как наука, и росла ее активность в познании прежде всего неорганической природы. Открытием кобальта начинается эта глава и открытием ванадия завершается. Охватываемый ею временной интервал составляет почти 100 лет (с 1735 по 1830 г.). За этот период было обнаружено более 30 химических элементов, что явилось достижением химико-аналитического метода. Разумеется, этот метод сыграл важнейшую роль в открытии и некоторых других элементов, например в открытии редкоземельных элементов, но в силу особенностей их истории они будут рассмотрены в отдельной главе.

КОБАЛЬТ

Историю открытия кобальта лучше всего начать с истории происхождения названия этого элемента. Своим названием он обязан минералу, который находили с древних пор в Саксонии и называли кобольдом. Так рудокопы именовали злого духа, который якобы обитал в этом минерале. Поверье произошло от того, что все попытки выделить серебро из этого камня (а он очень походил на серебряную руду) оканчивались неудачей.

Синие кобальтовые стекла, эмали и краски были известны еще за 5000 лет до н. э. в Древнем Египте. Так, в гробнице Тутанхамона нашли много осколков синего стекла. Неизвестно, было ли приготовление синих стекол и красок на основе кобальтовых соединений сознательным или случайным. Во всяком случае, рецепт их получения долго был неизвестен. Первое упоминание о приготовлении синих красок относится к 1679 г.

Первооткрывателем кобальта стал шведский химик Г. Брандт. Датой открытия считается 1735 г. В своей «Диссертации по полуметаллам» он говорил об открытом им новом полуметалле — кобольде.

Под полуметаллами Г. Брандт имел в виду вещества, которые многими своими качествами похожи на известные металлы, но не поддаются ковке. Он описал шесть полуметаллов: ртуть, висмут, цинк, сурьму, кобальт, мышьяк. Так как большинство висмутовых руд содержат кобальт, Г. Брандт в своей диссертации предложил несколько способов для того, чтобы различать кобальт и висмут.

В 1744 г. Г. Брандт нашел новый минерал, содержащий кобальт, железо и серу. Этим минералом оказался сульфид кобальта Co₃S₄.

Впоследствии Г. Брандт провел детальное изучение кобальта. В конце XVIII–начале XIX в. изучением свойств кобальта и его соединений занимались Т. Бергман, Л. Тенар, Л. Пруст и И. Берцелиус. Это помогло более подробно изучить элемент. В открытие кобальта долго не верили многие химики. В 1776 г. венгерский химик П. Падакс заявил, что кобальт есть соединение железа и мышьяка, но добавил, что открытый к тому времени никель является элементом. И только к концу XVIII в. благодаря работам многих ученых было подтверждено открытие Г. Брандта.

Кобальт, как и никель, часто присутствует, а иногда и в больших количествах, в метеоритах. В 1819 г. немецкий химик Ф. Штромейер сообщил об открытии им кобальта в метеорите, а чуть позже С. Теннант в этом же метеорите обнаружил никель.

НИКЕЛЬ

Сосед кобальта по периодической системе — никель имеет довольно много с ним общего. Прежде всего этот элемент тоже «дьявольский». Название «никель» происходит от немецкого купферникель — «медный дьявол», по названию минерала, описанного в 1694 г. шведским минералогом У. Иерне и ошибочно принятого им за медную руду. Все попытки выплавить из этого минерала медь привели к неудаче. И металлурги решили, что это происки Ника — злого духа гор.

Вообще говоря, человечество было знакомо с никелем давно. Еще в III в. до н. э. древние китайцы выплавляли сплав, состоящий из меди, никеля и цинка. В древнем среднеазиатском государстве Бактрии из этого сплава приготовляли монеты, одна из них сейчас хранится в Британском музее в Лондоне.

Заблуждения относительно состава купферникеля продолжались даже после того, как этот минерал был описан. В 1726 г. немецкий аптекарь И. Линк исследовал его и установил, что при растворении в азотной кислоте он дает зеленую окраску, а потому скорее всего является кобальтовой рудой с примесями меди. Когда шведские горняки нашли красноватый минерал, который, будучи добавлен к стеклу, не давал синей окраски, они назвали его «кобольд, потерявший душу». Это также был один из никелевых минералов.

Так обстояли дела до 1751 г. В тот год исследованием минерала, найденного на кобальтовом руднике, занялся шведский минералог и химик А. Кронштедт. В одном из опытов он опустил кусочек железа в кислый раствор этой руды. При наличии в растворе меди она должна была выделиться на железе в свободном состоянии. К его великому удивлению, этого не произошло. Раствор меди не содержал. Это шло вразрез с тогдашними представлениями об исследуемой руде. Тогда А. Кронштедт занялся тщательным изучением зеленых кристаллов которые были вкраплены в руду. В результате длинной серии экспериментов он выделил из купферникеля металл, на медь совершенно не похожий. А. Кронштедт описал этот металл как твердый и хрупкий, слабо притягивающийся магнитом, при нагревании переходящий в черный порошок, при растворении дающий великолепную зеленую окраску. Металл содержится в купферникеле, заявлял А. Кронштедт, поэтому можно сохранить для него то же имя, а кратко называть его никель. Сейчас известно, что купферникель — это арсенид никеля.

[4] Маркс К. и Энгельс Ф. Соч., т. 20, с. 372.

[5] Маркс К. и Энгельс Ф. Соч., т. 24, с. 19–20.