Как были открыты химические элементы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вот и близится к концу повествование, героями которого стали сто семь химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева. Различными были их судьбы, много сил и труда пришлось затратить ученым разных стран, чтобы обнаружить их в природе или получить искусственно. Теперь, когда в нашем распоряжении все факты, данные, события, относящиеся к историям открытия всех элементов, можно сделать некоторые выводы.

Предметом для анализа нам послужит сводная хронологическая таблица (табл. 4), в которой приведены даты и авторы открытий химических элементов, за исключением тех элементов, которые стали известны в древности и в средние века. Открытия почти девяти десятков элементов связаны с именами реальных исследователей. Можно подсчитать, что в открытиях стабильных элементов в природных объектах непосредственно участвовало всего 50 человек; 9 человек являются авторами открытий естественных радиоактивных элементов (однако в обнаружении радиоэлементов — членов радиоактивных семейств — приняло участие примерно 25 человек).

Более многочисленной выглядит группа авторов открытий синтезированных элементов, которая насчитывает более 30 человек. Это и неудивительно: ведь в синтезах трансурановых элементов, особенно с большими значениями Z, принимает участие большое число специалистов — теоретиков и экспериментаторов, физиков, химиков, инженеров. Например, над статьей о синтезе элемента № 106, осуществленном в Дубне, стоят фамилии одиннадцати авторов, и каждый внес заметный вклад в общее дело.

Таблица 4

А в итоге получается, что клетки современной периодической системы были заполнены усилиями примерно 100 человек.

Среди них есть и свои рекордсмены. Опять же если говорить сначала об элементах, обнаруженных в природе, то первенство здесь принадлежит шведскому химику К. Шееле. На его счету шесть элементов: фтор, хлор, марганец, молибден, барий и вольфрам, и сюда же можно добавить седьмой — кислород, честь открытия которого К. Шееле делит с Дж. Пристли.

Серебряная медаль в деле открытия новых элементов принадлежит В. Рамзаю, открывшему аргон, гелий, криптон, неон и ксенон; правда, во всех случаях у него были соавторы: В. Крукс (гелий), В. Рэлей (аргон), М. Траверс (криптон, неон и ксенон). По четыре элемента обнаружили в природе И. Берцелиус (церий, селен, кремний и торий), Г. Дэви (калий, кальций, натрий и магний), П. Лекок де Буабодран (галлий, самарий, гадолиний и диспрозий). По три элемента открыли М. Клапрот (титан, цирконий и уран) и К. Мосандер (лантан, тербий и эрбий). Наконец, несколько исследователей подарили знанию по два новых элемента: Л. Воклен (бериллий и хром), У. Волластон (родий и палладий), Р. Бунзен и Г. Кирхгоф (рубидий и цезий), К. Ауэр фон Вельсбах (празеодим и неодим), П. Клеве (гольмий и тулий) и С. Теннант (осмий и иридий). Это несколько идеализированная картина. Читая в книге рассказы об открытиях тех или иных элементов, вы не раз сталкивались с такой ситуацией, когда не так-то просто с определенностью назвать автора открытия.

Что касается природных радиоактивных элементов, то здесь первенство остается за М. и П. Кюри, выделившими из урановых минералов полоний и радий. В открытии восьми трансурановых элементов принимал участие Г. Сиборг (с плутония по менделевий); для достоверного синтеза элементов с Z, равным 102–107, решающую роль сыграли работы Г. Н. Флерова, возглавляющего большую группу исследователей в Дубне.

А вот как распределились открытия химических элементов по странам.

Максимум приходится на Швецию: 23 химических элемента было обнаружено учеными этого государства. Сюда относятся (в хронологическом порядке): кобальт (1735), никель (1751), фтор (1771), хлор (1774), марганец (1774), барий (1774), молибден (1778), вольфрам (1781), иттрий (1794), тантал (1802), церий (1803), литий (1817), селен (1817), кремний (1823), торий (1828), ванадий (1830), лантан (1839), тербий (1843), эрбий (1843), скандий (1879), гольмий (1879) и тулий (1879). В данном перечне много редких и редкоземельных элементов, и это не случайно. В Швеции в XVIII в. была сильно развита металлургическая промышленность, а это требовало поисков новых месторождений железных руд. Попутно, а часто и независимо, обнаруживались новые минералы, содержащие, как оказывалось, неизвестные ранее элементы. Кроме того, химико-аналитический метод исследования стоял в Швеции на высоком уровне. Это опять было связано с необходимостью анализа большого количества минералов и руд. Не случайность, а практические потребности сделали Швецию первой страной по числу открытых ее учеными химических элементов.

Второй стала Англия. Английские ученые в обшей сложности обнаружили 20 элементов: водород (1766), азот (1772), кислород (1774), стронций (1787), ниобий (1801), палладий (1803), родий (1804), осмий (1804), иридий (1804), натрий, калий (1807), магний, кальций (1808), таллий (1861), аргон (1894), гелий (1895), неон (1898), криптон, ксенон (1898), радон (1900). На примере Англии отчетливо видна связь между открытиями элементов и общей направленностью научных исследований. В Англии, на родине пневматической химии, были обнаружены разновидности воздуха, оказавшиеся впоследствии элементарными газами атмосферы — водородом, азотом и кислородом. Спустя сто с лишним лет в Англии же сложилась благоприятная ситуация для открытия благородных газов (в данном случае выдающуюся роль сыграла личность конкретного ученого — В. Рамзая). В начале XIX в. больших успехов достигла в стране электрохимия, и это способствовало удачной работе Г. Дэви. Он получил в свободном виде натрий, калий, магний и кальций. Открытие четырех платиновых металлов связано с прогрессом исследований сырой платины в Англии.

Третье место занимает Франция. Ученые этой страны открыли 15 элементов: хром (1797), бериллий (1798), бор (1808), иод (1811), бром (1826), галлий (1875), самарий (1879), гадолиний (1886), диспрозий (1886), радий (1898), актиний (1899), европий (1901), лютеций (1907), франций (1939). Неудивительно, что радиоактивные элементы Ро, Ra, Ас были открыты французскими учеными. Это произошло в русле пионерских работ по изучению явления радиоактивности. Великолепный мастер спектрального анализа П. Лекок де Буабодран с помощью этого метода констатировал существование четырех новых элементов: галлия и трех редких земель — самария, гадолиния и диспрозия. Обнаружение хрома и бериллия было делом рук Л. Воклена — настолько искусного химика-аналитика, что было бы несправедливо, если бы он не подарил миру ни одного нового химического элемента.

Статистика открытий элементов на четвертое место ставит Германию (10 элементов): цирконий (1789), уран (1789), титан (1795), кадмий (1817), цезий (1860), рубидий (1861), индий (1863), германий (1886), протактиний (1918), рений (1925). Три фактора сыграли роль в этих открытиях: блестящее мастерство химика-аналитика М. Клапрота (Ti, Zr и U); разработка метода спектрального анализа (Cs, Rb и In); широкое развитие рентгеноспектральных исследований (Re).

Три элемента — теллур (1782), празеодим (1885), неодим (1885) — были открыты в Австрии, два — в Дании: алюминий (1825) и гафний (1923). Один элемент — рутений — был открыт в России в 1844 г. Однако нужно сказать, что русские химики, получив известия об открытии многих новых элементов, выделяли их из природного сырья и изучали их свойства (платиновые металлы, хром, стронций). Отечественные химики по разным причинам не внесли большого вклада в открытие химических элементов, существующих в природе. При этом нельзя забывать, что естественная классификация элементов, их периодическая система была разработана нашим соотечественником Д. И. Менделеевым, а это было делом гораздо более сложным, чем открытие нескольких новых элементов.

Нет ничего удивительного в том, что подавляющее большинство элементов, существующих в природе, было обнаружено учеными четырех стран: Англии, Германии, Франции и Швеции, где химические исследования находились на очень высоком уровне. Там были получены многие важные научные результаты, способствовавшие открытию новых химических элементов.

О том, как распределяются открытия в области синтезированных элементов, мы уже говорили (на с. 215). Здесь отметим, что наиболее сложные синтезы трансурановых элементов с Z, равным 102–107, впервые достоверно осуществлены в Советском Союзе.

Интересен и такой вопрос: какими темпами шло обнаружение новых химических элементов в разные периоды времени? Для удобства возьмем временной интервал с 1750 (примерная дата начала химико-аналитических исследований) по 1925 г. (открытие последнего стабильного элемента — рения) и разобьем его на периоды по 25 лет каждый. Пользуясь данными из сводной хронологической таблицы, составим таблицу (табл. 5), отражающую темпы обнаружения новых элементов.

Таблица 5

Из этой сводки можно видеть, что два двадцатипятилетних промежутка времени оказались особенно примечательными в смысле открытия новых элементов. Первый промежуток охватывает 1801–1825 гг., на протяжении которых список элементов возрос на 18 названий. Объяснить причину этого не составляет труда, ведь то было время подлинного расцвета химико-аналитического метода исследования, находившегося в руках таких выдающихся мастеров, как М. Клапрот, И. Берцелиус и др. Рядом следует поставить Г. Дэви, который ввел в практику электрохимический метод, сразу приведший к выделению нескольких щелочных и щелочноземельных металлов. Второй пик открытий (как легко догадаться, глядя на символы 19 элементов, обнаруженных в этот период) связан с развитием спектрометрического и радиометрического методов, а также с прогрессом химии редких земель. Зато на полвека, разделяющие эти промежутки (1825–1875), приходится всего лишь 12 открытий новых элементов. Это объясняется просто. Химико-аналитический метод, грубо говоря, подбирал остатки, обнаруживая те элементы, зафиксировать существование которых он еще был в силах. Спектральный же анализ, напротив, только проверял свои возможности: у него все еще было впереди. Наконец, в первой четверти XX в. было открыто лишь 5 элементов, но это не свидетельствует о каких-либо ограниченных возможностях науки, а говорит о том, что природная кладовая новых элементов оказалась фактически исчерпанной.

Предшествующие рассуждения при строгом подходе обнаруживают одно слабое место, которое до известной степени снижает их ценность. Они опираются на данные сводной хронологической таблицы открытий элементов, на приведенные в ней (там, где их вообще возможно привести) даты открытий. Однако эти даты характеризуют различные события в истории открытия элементов, иначе говоря, имеют различную значимость.

Простые примеры убеждают в этом. Возьмем три галогена: фтор, хлор и бром. Датой открытия фтора считается 1771 г., когда К. Шееле выделил соединение, впоследствии оказавшееся плавиковой кислотой. Но только А. Лавуазье, спустя полтора десятилетия, предположил, что в ней содержится новый элемент, да притом еще и заблуждался, считая, что в состав кислоты входит кислород. Лишь в 1810 г. Г. Дэви и А. Ампер пришли к твердому убеждению, что плавиковая кислота есть соединение водорода с неизвестным элементом — фтором. И только в 1886 г. А. Муассан получил элемент в свободном состоянии. Вообще говоря, каждая из этих дат могла бы с достаточным основанием рассматриваться как дата открытия фтора. А выбранной оказалась наиболее неопределенная — 1771 г.: ведь К. Шееле толком не понял, что он нашел.

Хлор также обнаружил К. Шееле в облике дефлогистированной муриевой кислоты, но отнюдь не считал его простым веществом, хотя наблюдал выделение именно свободного галогена. Последнее обстоятельство делает дату «1774 год» более весомой по сравнению с принятой датой обнаружения фтора, когда ни о каком простом веществе не могло быть и речи. Решающее событие в истории открытия хлора — это установление Г. Дэви в 1810 г. его элементарной природы. Ведь считают же английского ученого автором открытия натрия, калия, магния и кальция, хотя эти элементы уже давным-давно известны были в виде соединений.

Зато иод — пример элемента, который не вызвал споров. Открытый сразу в виде простого вещества (1811), он был в короткое время хорошо изучен и признан родственником галогенов. Очевидно, что три даты — 1771, 1774, 1811 гг., записанные в сводной таблице как даты открытий трех родственных элементов, несут разную смысловую нагрузку.

Но возьмем другой пример — открытие трех элементов, совершенно не похожих друг на друга: брома, иттрия и гелия. Что означают соответствующие им даты в сводной хронологической таблице? Дата открытия брома (А. Балар, 1826 г.) отвечает акту выделения элемента в свободном состоянии. Дата обнаружения иттрия (Ю. Гадолин, 1794 г.) относится к выделению оксида металла. Как выяснилось сорок с лишним лет спустя, «иттрий» Ю. Гадолина на деле оказался смесью редких земель, и относительно чистый оксид иттрия был приготовлен К. Мосандером. Поэтому дата «1794 г.» соответствует открытию смеси сходных элементов, но никак не обнаружению индивидуального элемента. Официальная дата констатации существования гелия (Н. Локьер и Ж. Жансен — 1868 г.) отвечает событию, ранее в истории элементов не встречавшемуся. Впервые сигналом о существовании нового элемента было не выделение его в материальной форме из земных объектов, а наблюдение неизвестной линии в спектре солнечных протуберанцев. До 1895 г., когда был найден земной гелий, этот элемент оставался чисто гипотетическим.

Три даты — в каждую из них вложен различный фактический смысл. Подобные примеры можно приводить еще и еще.

Но чем же тогда объяснить явно различную значимость дат открытий разных химических элементов (дат, приведенных в сводной хронологической таблице)? Тем, что понятие «открытие химического элемента» не имеет четкого определения. В него зачастую вкладывают разное содержание.

Вот какое определение дает видный советский историк химии Н. А. Фигуровский: «Под открытием элемента следует понимать не только получение (выделение) в свободном состоянии простого тела, но и установление существования его в каких-либо соединениях химическим или физическим путем. Естественно, что это определение применимо лишь к открытию элементов, начиная со второй половины XVIII в. Оно не может быть распространено на более ранние этапы, когда соединения, содержащие еще неизвестные элементы, не могли быть изучены с точки зрения их состава»[19]. Второе и третье предложения этой цитаты совершенно справедливы, а вот с содержанием первого следует и поспорить. Считать заключающееся в ней определение безупречным — значит не делать различия между выделением нового элемента в форме простого тела и констатацией его существования в составе соединения. Но ведь это разные вещи, что мы уже показали, обсуждая значимость дат открытий некоторых элементов. И выделение элемента в виде простого вещества является важной вехой в его истории. В самом деле, чтобы достаточно полно изучить свойства того или иного элемента, необходимо располагать им в свободном состоянии. Только при этом условии могут быть исследованы многие химические (например, отношение к различным реагентам) и почти все физические свойства. Поэтому получение элемента в свободном состоянии должно рассматриваться как высшая стадия открытия, выделение же в форме соединения — как низшая, предварительная стадия.

История открытия элементов показывает, что далеко не всегда сразу наступала высшая стадия открытия, не всегда открытие элемента означало выделение его в свободном состоянии. Следовательно, во многих случаях открытие элемента нельзя рассматривать как событие одноактное. На него надо смотреть как на процесс, более или менее растянутый во времени. Сводная хронологическая таблица фиксирует лишь одну стадию в истории открытия элементов, что, скорее всего, было вызвано далеко не достаточным вниманием к этой самой истории. В таблице встречаем и даты, соответствующие косвенной констатации существования нового элемента (для тех элементов, которые первоначально были обнаружены спектрометрическим или радиометрическим методом, но отнюдь не выделены в материальной форме).

Химические элементы по способам их обнаружения разделяются на две группы: обнаруженные в природе (I) и синтезированные (II). Из первой группы исключим те, к которым само понятие «открытие» неприложимо, т. е. элементы древности и средних веков.

Тогда получается следующее распределение. В группе I большую совокупность составляют элементы, первоначально выделенные в форме соединений (Li, Be, F, Sc, Ti, V, Rb, Y, Zr, Nb, Mo, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tu, Yb, Lu, Hf, Ta, W, Re, Po, Fr, Ra, Ac, Pa, Th, U). Всего 36 элементов. Из них существование десяти элементов (Rb, Sm, Eu, Dy, Ho, Tu, Yb, Lu, Hf, Re) первоначально было констатировано спектроскопическим методом, а пяти элементов (Po, Fr, Ra, Ac, Ра) радиометрическим методом. Правда, некоторые элементы причислены к этому перечню условно.

Почти столько же элементов (40) было получено в свободном состоянии без предварительного выделения в форме соединений (Н, Не, В, N, О, Ne, Na, Mg, Al, Si, P, Cl, Ar, K, Ca, Cr, Mn, Co, Ni, Ga, Ge, Se, Br, Kr, Sr, Ru, Rh, Pd, Cd, In, Те, I, Xe, Cs, Ba, Os, Ir, Pt, Tl, Rn). Присутствие в природных объектах восьми элементов (Не, Ne, Ar, Kr, Xe, Cs, In и Тl) было первоначально установлено спектроскопическим методом, а радиометрическим — был найден только радон.

Словом, история химических элементов — это еще далеко не завершенная область исследования. Она нуждается в новых поисках и уточнениях, она еще способна преподнести неожиданности и заставить пересмотреть, казалось бы, бесспорные мнения. Как это не покажется удивительным, но в мировой литературе еще нет фундаментального труда, в котором был бы дан обстоятельный и всесторонний анализ истории открытия химических элементов.

Наша книга — это лишь попытка обрисовать в общих чертах контуры этой истории. Но прежде чем окончательно поставить точку, мы остановим внимание читателя на проблеме, которая к истории элементов имеет самое прямое отношение. Это проблема ложных (ошибочных) открытий химических элементов. Еще никто не взял на себя труд попытаться составить исчерпывающий список ошибок в истории открытий химических элементов. Это очень сложное дело (по многим причинам). Здесь мы лишь перечислим около сотни названий, соответствующих ошибочно открытым элементам (с указанием авторов и дат открытий), и кратко проанализируем причины ошибок. Более половины ложных открытий произошло в ходе изучения редкоземельных элементов (ошибок здесь было едва ли не вдвое больше, но многим якобы открытым элементам не давали названий, а обозначали их буквами латинского или греческого алфавита). Вот эти лжеэлементы в алфавитном порядке: австрий (1886, Е. Линнеман), берцелий (1903, Ч. Баскервиль), вазий (1862, Ж. Бор), вельсий (1920, Ж. Эдер), вестий (1818, Л. Гильберт), глаукодимий (1897, К. Д. Хрущев), дамарий (1896, К. Лауэр, П. Анч), демоний (1894, X. Роуленд), денебий (1916, Ж. Эдер), деципий (1878, М. Деляфонтен), донарий (1851, К. Бергманн), дубий (1916, Ж. Эдер), евросамарий (1917, Ж. Эдер), инкогнитий и ионий (1905, В. Крукс), каролиний (1900, Ч. Баскервиль), кельтий (1911, Ж. Урбэн), колумбий (1879, Ж. Смит), космий (1896, Б. Косман), люций (1896, П. Баррьер), масрий (1892, Х. Ричмонд), метацерий (1895, Б. Браунер), мосандрий (1877, Ж. Смит), моний или викторий (1898, В. Крукс), неокосмий (1896, Б. Косман), роджерий (1879, Ж. Смит), руссий (1887, К. Д. Хрущев), филиппий (1878, М. Деляфонтен), эвксений (1901, К. Хофманн, В. Прандтль), юноний (1811, Т. Томсон). Остальные ошибочно открытые редкие земли относятся к числу безымянных.

Много ложных открытий связано с поисками элементов № 43, 61, 85 и 87, которые долго и безуспешно пытались обнаружить в природе, главным образом на протяжении первых четырех десятилетий нашего века. Вот некоторые примеры: алабамий (1931, Ф. Аллисон и др.), алкалиний (1926, Ф. Лоринг), виргиний (1930, Ф. Аллисон, Ф. Мерфи), гельвеций, он же англогельвеций (1940, В. Миндер; 1942, А. Лей-Смит), дакин (1937, Р. де Сепаре), иллиний (1926, Д. Харрис и др.), лептин (1943, К. Мартин), мазурий (1925, В. Ноддак, И. Такке, О. Берг), молдавий (1937, X. Хулубей), ниппоний* (1908, М. Огава), руссий (1925, Д. К. Добросердов), флоренций (1926, Л. Ролла, Л. Фернандес) и т. д. В середине 30-х годов сообщалось об открытии трансурановых элементов, что также было результатом ошибок (например, аузоний, гесперий, богемий, секваний).

Большое число ложных открытий происходило при изучении руд и минералов сложного состава, в особенности сырой платины. Так, появлялись сообщения об открытиях следующих элементов платиновой группы: амариллий* (1903, В Курти), вестий (1808, А. Снядецкий), дэвий* (1877, С. Ф. Керн), жозефиний (1903, анонимный автор), канадий (1911, А. Френч), плураний, полиний и рутений (1829, Г. Озанн), удалий (1879, А. Гийяр). Об открытиях новых платиновых металлов, не предлагая для них каких-либо названий, сообщали Ф. Генф (1853), К. Чендлер (1862), Ф. Вильм (1883). Этот перечень, конечно, неполон.

При изучении колумбитов, минералов кобальта, никеля и циркония также случались ошибочные открытия: вестий, он же сирий (1818, Л. Вест), воданий (1818, В. Лампадиус), гномий (1889, Г. Крюсс, Ф. Шмидт), дианий (1860, Ф. Кобелль), идуний (1884, X. Вебский), ильмений (1846, Р. Германн), нептуний (1850, Р. Германн), нигрий (1869, А. Черч), никколан (1803, И. Рихтер), норвегий (1879, Т. Дааль), норий (1845, А. Сванберг), остран (1825, А. Брайтхаупт), пелопий (1846, Г. Розе), яргоний (1869, Г. Сорби).

Вот четыре большие группы ложных открытий. Кроме того, история знает немало единичных ошибочных открытий, носящих случайный характер. Таковы, например, австрий (1889, Б. Браунер), актиний (1881, Т. Фипсон), весбий (1879, А. Скаччи), доний (1836, А. Ричардсон), кродоний (1820, И. Тромсдорф), лавуазий (1877, Дж. Прат), метааргон (1898, В. Рамзай, М. Траверс), океаний (1923, А. Скотт), панхромий, он же эритроний* (1801, А. дель Рио), триний (1836, Г. Боаз), экателлур (1889, А. Грюнвальд), эфирон (1898, Ч. Браш).

Приведенные выше названия иногда повторяются (австрий, вестий) или соответствуют названиям действительно открытых элементов (актиний, рутений). Это не описки, а результат случайных совпадений. Элементы, названия которых отмечены звездочкой, представляют особый интерес. В данных случаях есть основания полагать, что в изучавшихся образцах действительно содержались неизвестные элементы, но их природу не удалось понять. Правильнее здесь говорить не о ложных, а о неопознанных элементах. Например, амариллий и дэвий, по-видимому, можно рассматривать в качестве возможных предшественников рения, а ниппоний — в качестве предшественника гафния.

Все вышеупомянутые ложнооткрытые элементы были обнаружены в результате экспериментов, поставленных более или менее объективно, но, как правило, неверно истолкованных. Однако в старой химической и физической литературе можно встретить названия элементов, которые, вообще говоря, никто и никогда не открывал. Это так называемые гипотетические элементы, существование которых лишь предполагалось для объяснения тех или иных процессов или констатировалось по косвенным признакам (например, короний, небулий, астерий, арконий, протофтор, которые могли существовать в различных космических объектах). К истории же элементов они фактически не имеют отношения.