Как были открыты химические элементы

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.

О ПОНЯТИИ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ»

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.

ПОЧЕМУ ЭЛЕМЕНТ НАЗЫВАЕТСЯ ЭЛЕМЕНТОМ?

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.

КАК «ЭЛЕМЕНТ» СТАЛ «ХИМИЧЕСКИМ ЭЛЕМЕНТОМ»?

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.

ЕСТЬ ЛИ ЗАКОНОМЕРНОСТИ В ОТКРЫТИИ ЭЛЕМЕНТОВ?

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?

Несмотря на различие свойств, у этих элементов есть и кое-что общее. Большая часть из них встречается на Земле в самородном состоянии. Не в виде химических соединений, а в виде простых веществ. До сих пор мы читаем сообщения, что где-то найдены, например, самородки золота. Чтобы их обнаружить, не надо никаких химических операций. Достаточно лишь простого визуального наблюдения. В свободном состоянии (в виде простых веществ) существуют на Земле серебро и сера (но в основном они входят в состав минералов), гораздо реже — медь и ртуть. Вот почему эти элементы оказались в числе первых, с которыми познакомился человек. Особое место занимает углерод: он, пожалуй, действительно самый первый среди элементов, просигнализировавших о своем существовании. Головешки первого костра — образец простого вещества углерода. Железо дало название целой эпохе в развитии человечества — железному веку. Многие ученые полагают, что люди прежде всего познакомились с железом, находящимся в свободном состоянии, — с металлическим железом, входящим в состав метеоритов. И лишь затем древнейшие металлурги изобрели способы выплавки железа из руд. Из минералов же были выплавлены олово и свинец. Процессы выделения этих металлов из соединений (мы сказали бы теперь — процессы восстановления) являются сравнительно несложными и оказались под силу людям, имевшим лишь самое примитивное представление о химических операциях.

Население разных областей земного шара начинало применять те или иные элементы в различные времена. И потому более точная дата их открытий связана с хронологически первым упоминанием об их употреблении. Легко понять, что сам термин «открытие» здесь условен и фактически не имеет ничего общего с тем содержанием, которое вкладывалось в него в более поздние эпохи, когда человеческое знание достигло определенного уровня.

Эпоха массового открытия химических элементов началась лишь во второй половине XVIII в. Десятки предшествовавших этому времени столетий принесли сведения об открытии лишь пяти новых элементов: мышьяка, сурьмы, висмута, фосфора и цинка. Их случайно обнаружили при своих манипуляциях алхимики, тщетно пытавшиеся найти философский камень. Помогли характерные свойства этих элементов, например удивительное свечение фосфора в темноте и специфические особенности соединений мышьяка.

Открытие новых химических элементов стало не внезапным озарением, но вполне будничным делом после того, как были соблюдены два основных условия. Во-первых, химия начала уверенно оформляться в самостоятельную науку, методы ее исследования сделались в достаточной степени удовлетворительными, а ученые научились определять состав минералов — кладовых химических элементов. Во-вторых, большинство ученых в конце концов пришли к единой точке зрения на то, что представляет собой химический элемент. Так начался великий аналитический период в развитии науки химии, в ходе которого была найдена в природе значительная часть существующих на Земле элементов.

Особое место на этом пути занимает процесс открытия водорода и элементарных газов атмосферы — азота и кислорода. Оно стало возможным благодаря работам по пневматической химии. Долгое время изучение газов было уделом физиков, и долгое время исследователи, обнаруживая новые газы, полагали, что те представляют собой лишь новые разновидности воздуха. Не сразу пришло убеждение в том, что эти разновидности суть химические элементы. Потребовалось кардинально пересмотреть старые теоретические представления и прежде всего низвергнуть так называемую концепцию флогистона — некоего начала горючести. С ним нам еще предстоит столкнуться позже. Труды ученых были вознаграждены сторицей: открытие водорода, азота и кислорода сыграло гигантскую роль в разработке важнейших понятий современной химии, ее основных теоретических представлений и экспериментальных методов.

В этом свете уже не кажется парадоксом, что кислород (самый распространенный элемент, составляющий по массе почти половину земной коры) был обнаружен исторически так поздно. Химия должна была в достаточной степени прозреть, чтобы суметь установить его индивидуальность как нового простого вещества. И для этого потребовались соответствующие методы исследования.

Различные, постоянно совершенствующиеся аналитические методы исследования — вот те рычаги, которые приводили шаг за шагом к констатации существования новых представителей мира химических элементов. Но химический анализ в его чистом виде оказался не способен заполнить все клетки периодической системы. К выводу о существовании многих новых элементов ученые пришли отнюдь не потому, что обнаружили их, образно говоря, на дне пробирки. Эти элементы иным способом заявляли о своем присутствии в природе, главным образом элементы, содержание которых в земных объектах очень и очень невелико.

Миллиарды лет длилось формирование земной коры, образование различных минералов и руд, и в ходе этого процесса выявились удивительные причуды природы, а точнее, своеобразные закономерности науки геохимии. Некоторые элементы оказались обделенными в том смысле, что им не удалось образовать собственных минералов, таких, где они были бы главной или, по крайней мере, заметной составной частью. Они оказались незначительными примесями к самым разнообразным минералам других элементов. Они словно бы рассеялись по земной коре, потому их и называют «рассеянные». Только в редчайших случаях образуют они свои минералы, и если ученым по счастливому стечению обстоятельств удавалось напасть на них, то новый элемент сразу оказывался добычей химического анализа. Такова была, как мы увидим далее, судьба германия, извлеченного из уникально редкого минерала аргиродита.

Для других рассеянных история складывалась по-иному. Цезий, рубидий, индий, таллий и галлий — вот классический пример, когда существование новых химических элементов поначалу было зафиксировано без вмешательства химии. Они сигнализировали о своем присутствии своеобразной визитной карточкой — своим спектром. К их открытию привел новый метод исследования — спектральный анализ. Если внести крупинку вещества в пламя газовой горелки и рассматривать пламя через призму, то на развертке преломленного света можно наблюдать целый набор разноцветных и по-разному расположенных спектральных линий. Изучая спектры известных элементов, ученые пришли к выводу, что каждому элементу соответствует своя спектральная картина. Спектральный анализ сразу зарекомендовал себя как могучее средство исследования. Если же спектр какого-либо вещества содержал неизвестные спектральные линии, то логично было предполагать, что в веществе содержится новый, ранее не открытый элемент. Именно так и были обнаружены только что перечисленные пять химических элементов. Но здесь проявилась и определенная научная дерзость ученых: заявлять о существовании новых элементов, не держа в руках и крупицы их и не зная их свойств.

По спектрам были открыты и такие необычные химические элементы, как гелий, неон, аргон, криптон и ксенон. Они получили название благородных газов или инертных элементов, Их содержание чрезвычайно невелико, и составляют они незначительную часть земной атмосферы. Долгое время считали, что они совершенно не способны к химическим взаимодействиям, и находились люди, полагавшие, что к этим газам неприменимо понятие «химический элемент». Открытие инертных элементов произошло без вмешательства химии, а выделить их из земной атмосферы и отделить друг от друга удалось лишь благодаря разработке методов сжижения газов при низких температурах.

Конечно, в истории открытия элементов в какой-то мере проявился и фактор распространенности: все же те элементы, которых в природе мало, открыты были в последнюю очередь. Прекрасное подтверждение этому тезису можно найти на примере истории естественных радиоактивных элементов. Их удалось обнаружить в конце XIX и начале XX в. И если бы не одно существенное обстоятельство, то они могли бы долго оставаться вне поля зрения человеческого, поскольку ни химический, ни спектральный методы анализа не смогли бы обнаружить ничтожные концентрации этих элементов. Упомянутое обстоятельство — открытие нового физического явления, названного явлением радиоактивности. Некоторые вещества способны самопроизвольно и постоянно испускать излучение. Сначала выяснили, что данное свойство присуще не веществам вообще, даже не химическим соединениям, а конкретным химическим элементам — урану и торию, расположенным в самом конце периодической системы. В ходе исследований ученые заметили: иногда наблюдается гораздо более сильное излучение, чем то, которое присуще атомам тория и урана. Была высказана гипотеза, что за него ответственны еще неизвестные радиоактивные элементы. Она подтвердилась открытием полония и радия. И тем самым в практику вошел еще один метод исследования — радиометрический, который и привел к открытию естественных радиоактивных элементов. В данном случае опознавательным знаком послужило свойство радиоактивности. Радиометрический метод несравненно более чуткий, более чувствительный, чем другие методы обнаружения элементов.

К концу 20-х годов нашего столетия было, наконец, покончено с открытием элементов, существующих в природе. Но история открытия новых химических элементов на этом не завершилась. Однако само понятие «открытие» получило новое содержание. Оно подразумевало теперь ознакомление с элементами, которых нет на Земле, — с элементами, искусственно созданными человеком с помощью ядерных реакций. Это была задача огромной научной и технической трудности, которую решали ученые разных стран. Все искусственные, или синтезированные, элементы радиоактивны, поэтому радиометрический метод здесь сыграл и играет важнейшую роль. Здесь решающее слово сказали физики. Но и на долю химиков выпала исключительно сложная проблема. Многие синтезированные элементы даже в наши дни могут быть получены в количестве буквально считанных атомов. И чтобы изучить их свойства (добавим, что эти атомы, будучи сильно радиоактивными, иногда живут лишь доли секунды), химикам приходится проявлять чудеса изобретательства.

Вот какая картина раскрывается перед нами, если попытаться в самых общих чертах представить многовековой процесс открытия химических элементов, символы которых заполняют ныне клетки периодической системы Д. И. Менделеева. Рассмотрим же этот процесс детально. Внимательно познакомимся с историей героев нашего повествования — с каждым в отдельности.

Но прежде несколько слов нужно сказать о том, как построена эта книга. Она состоит из двух частей: в первой рассказывается об элементах, обнаруженных в природе, во второй — о синтезированных элементах. Понятно, что часть первая должна начинаться с изложения исторических сведений об элементах древности (глава первая); затем речь пойдет об элементах, открытых в средние века (глава вторая). По отношению, к элементам, фигурирующим в этих главах, сам термин «открытие» еще не может быть применен. Он приобрел современное звучание после того, как уточнилось понятие «химический элемент». Этому событию способствовало развитие пневматической химии и постепенное опровержение теории флогистона, в ходе чего были открыты кислород, азот и водород и осознана их элементарная природа (глава третья).

Значительное количество новых химических элементов было обнаружено во второй половине XVIII и первой половине XIX в. с помощью химико-аналитического метода (глава четвертая), причем в выделении некоторых щелочных и щелочноземельных металлов сыграл роль электрохимический метод (этому специально посвящена глава пятая). На стыке 50-х и 60-х годов прошлого столетия был разработан спектроскопический метод, благодаря которому удалось констатировать существование на Земле нескольких новых элементов (глава шестая).

Особый интерес представляет открытие редкоземельных элементов, благородных (или инертных) газов и, наконец, элементов, предсказанных Д. И. Менделеевым на основе периодической системы. Хотя эти открытия совершились посредством химико-аналитического и спектроскопического методов, история отмеченных совокупностей элементов во многом специфична и ее изложение заняло специальные главы (главы седьмая, восьмая и девятая). Не менее своеобразна и история последних стабильных элементов, обнаруженных на Земле, — гафния и рения (глава десятая). Завершается первая часть книги рассказом об истории открытия радиоактивных элементов (глава одиннадцатая), и тем самым читатель входит в мир радиоактивности, мир нестабильных элементов и изотопов, значительное количество которых было получено искусственно, путем ядерных реакций.

Этим синтезированным элементам посвящается вторая часть книги, состоящая из двух глав (двенадцатая и тринадцатая). В первой из них читатель познакомится с синтезом новых элементов в прежних границах периодической системы — от водорода до урана (технеций, прометий, астат и франций). Вторая глава рассказывает об истории открытия трансурановых элементов и перспективах ядерного синтеза.

В заключение книги приведены статистические данные по истории открытия элементов. Обсуждено содержание понятия «открытие химического элемента» и рассказано о тех ошибках, которые имели место в истории открытия элементов (раздел о ложных открытиях написан В. П. Мельниковым).