Превращение элементов

Благородное семейство

В науке нередко так бывало, что одно замечательное открытие не всегда согласовывалось, а то и шло на первый взгляд вразрез с данными другого, не менее важного. Так и здесь: на торжествующий периодический закон отбрасывало чёрную тень… солнечное вещество — гелий. Его открыли раньше, чем Менделеев сформулировал закон. Сложилась неприятная ситуация: Менделеев не находил гелию места в таблице и не хотел признавать его. Выступая в Лондоне с лекцией о своих работах, Дмитрий Иванович с негодованием отозвался о «воображаемом гелии».

Менделеев никак не отрицал спектрального анализа, наоборот, он даже указывал, что такой-то элемент, вероятнее всего, будет обнаружен с помощью этого метода. Однако когда речь шла об открытии гелия, он говорил следующее: «Опыт ясно показывает изменчивость напряжённости света спектральных линий простых тел при различии температур и давлений, а потому можно думать, что линия гелия принадлежит одному из давно известных простых тел, поставленному в неизвестное для наших опытов состояние температуры, давления и напряжения тяжести». Доводы довольно веские: кто знает, как космические условия влияют на смещение спектральных линий.

В 70-е гг. один из первооткрывателей гелия, Локьер, напечатал статью «О спектрах звёзд и о природе элементов», в которой весьма убедительно предположил, что все элементы — это полимерные состояния водорода (никак не угасает гипотеза Праута: видно, в ней «что-то» есть!). Пришёл он к этому из следующего наблюдения: чем выше температура звезды, тем проще её спектр. Отсюда выводилось, что с понижением температуры из водорода образуются металлы, всё более и более тяжёлые, а затем появляются неметаллические элементы, после чего начинается соединение элементов. Известный французский учёный М.Бертло выступил на дискуссии в Парижской академии наук с критикой этих взглядов Локьера, хотя и признавал, что в космическом пространстве действуют иные силы, результатом чего атомы элементов изменяются не по тем законам, по которым изменяются сложные тела; но возможность превращения одних элементов в другие он не отрицал. В какой-то степени был прав и Менделеев: нельзя безоговорочно полагаться на спектральные линии, полученные от далёких светил. Сам он не дожил до такого подтверждения своей мысли. Лишь в 1927 г. был «закрыт» элемент небулий, после того как физик Боуэн показал, что давно наблюдаемые в спектре туманностей линии N₁ и N₂ принадлежат не какому-то новому элементу, а давно известному кислороду, находящемуся в совершенно необычных (по земным понятиям) условиях. Условия эти — крайняя степень разреженности и интенсивнейший поток ультрафиолетовых лучей.

Англичанину Джону Релею пришла в голову счастливая мысль — заново определить атомные веса. По всей видимости, родилась эта мысль из подозрения, что прежние вычисления неточны, и из пристрастия Релея к точнейшим измерениям. Он любил говорить: «Физика — это измерение». В 1893 г. он приступил к осуществлению своего замысла, пользуясь новейшими приборами, какими не располагали химики и физики середины столетия. Начал он с точного взвешивания различных газов, самых «ходовых» — водорода, кислорода и азота. В последнем случае учёный столкнулся с неожиданным результатом. Он взвешивал азот, полученный из разных веществ, и вес газа совпадал не всегда. Литр азота, добытого из воздуха, весил 1,2565 грамма, а полученного из аммиака — 1,2507 грамма. Естественно, что учёный прежде всего заподозрил самого себя, с досадой отметив: не чисто проведённый опыт! Проверив всё несколько раз, он получил тот же результат. Что же из этого следует? Поставить под сомнение закон постоянства состава? Тогда рухнет вся химия, несмотря на её блестящие достижения. Релей стал получать азот из разных веществ и взвешивать его. Окись азота, закись азота, азотнокислый аммоний, селитра, мочевина послужили ему сырьём для получения чистого азота. Во всех случаях он получил число 1,2507, лишь литр азота из воздуха весил больше на 6 миллиграммов. Релей послал письмо в лондонский научный журнал «Природа» и сообщил о той аномалии в весе, которую он обнаружил у «воздушного» азота. Письмо содержало обращение к учёным попытаться объяснить эту аномалию.

Никакого даже предположительного ответа на имя Релея от учёных не поступило. Тогда Релей рассказал о своих опытах приятелю, профессору химии Уильяму Рамзаю и предложил совместно поискать объяснение этого шестимиллиграммового привеса. Спорили они долго. Рамзай предположил, что «воздушный» азот утяжелён присутствием какого-то другого неизвестного газа. Стали рыться в книгах и журналах, перечитывать все статьи, где описывались опыты с воздухом, но ничего такого, что хотя бы намекнуло им на разгадку аномального привеса, не обнаружили.

Узнав о затруднениях Релея и Рамзая, физик Дж. Дьюар порекомендовал им обратить внимание на работы жившего за столетие до них химика Генри Кавендиша. Того самого затворника Кавендиша, о котором говорили, что он самый учёный из богатых и самый богатый из учёных. Того самого Кавендиша, который никогда не торопился публиковать свои работы, и они стали известны благодаря Максвеллу много и много позже, когда самого Кавендиша давно не было в живых. Максвелл, ознакомившись с работами Кавендиша, нашёл, что многие из них содержат ценнейшие сведения (а автор считал их малозначительными!) и организовал их публикацию.

У Рамзая была такая книга, и, просматривая её после рекомендации Дьюара, он натолкнулся на свою же карандашную пометку: «обратить внимание». В лабораторном журнале Кавендиша описывалось, как он с помощью электрической искры (на машине со стеклянным кругом) соединил в некотором объёме весь азот воздуха с кислородом и удалил образовавшиеся окислы, но с крохотным пузырьком газа так ничего поделать не мог. Этот остаток никак не хотел вступать в соединение. Релей и Рамзай решили проверить каждый у себя в лаборатории, не есть ли этот пузырёк в действительности не азот, а примесь какого-то неизвестного газа. Они договорились не выходить из лаборатории, пока не придут к тому или иному решению. Но оставаться без взаимной информации о ходе работ было выше их сил, и они ежедневно обменивались письмами, посланными с нарочными.

Каждый из них шёл своим путём. Релей просто повторил опыты Кавендиша, но, конечно, не со стеклянной машиной, а с новейшими приборами и в больших объёмах. Рамзай же стал насосом прогонять воздушный азот по трубочке с магнием; магний, естественно, соединился с азотом, но какое-то количество газа так и осталось в свободном состоянии. Пути разные, а к результату пришли одинаковому. Они получили новый газ, для которого придумали название «аргон», что означает «ленивый» или «недеятельный», так как он отказывался вступать с чем-либо в соединение.

Когда в августе 1894 г. Релей доложил в Оксфорде об открытии аргона, то, как и следовало ожидать, английские химики и физики проявили к его сообщению крайний скепсис. Но важно часто бывает не что доложить, а как доложить. Релей достиг эффекта с помощью курительных трубок. Он взял их 8 штук (они были из обожжённой глины), скрепил гуттаперчей и вставил в стеклянный сосуд, соединённый с воздушным насосом. Сосуд был заполнен воздухом, а конец трубок выходил в газометр. Прогнав несколько раз азот, полученный из воздуха, через свою установку, Релей взял из газометра пробу и взвесил её. Все увидели, что он тяжелее обычного азота на 10–12 процентов. «Почему, — обратился Релей к присутствующим, — азот после такой несложной операции, как прогонка через курительные трубки, становится тяжелее?» А потому, ответил он сам, что обожжённая глина — пористый материал, и через него азот просачивается в сосуд. Но в азоте воздуха содержится и другой газ, молекулы которого тяжелее молекул азота, поэтому им и затруднён проход через поры глины. Азот в трубках, таким образом, обогащается этим неизвестным газом, и получается наблюдаемый зрителями привес.

В начале 1895 г. лондонский химик Г.Майерс написал Рамзаю, что в одном из старых журналов он ранее читал статью геолога Хильдебранда, в которой сообщалось, что некоторые минералы при кипячении их в серной кислоте выделяют какой-то газ, не горючий и не поддерживающий горения. Сам Хильдебранд наблюдал выделение такого газа при кипячении клевеита — минерала, найденного в Норвегии известным полярным путешественником Норденшельдом. По всей вероятности, писал Майерс, выделяемый из клевеита газ представляет собой аргон.

Сообщение Майерса заинтересовало Рамзая, и он послал мальчика купить ему как можно больше клевеита. Тот добросовестно выполнил поручение, но во всех химических магазинах Лондона этого минерала набралось всего один грамм. Рамзай повторил опыт Хильдебранда и действительно получил несколько миллилитров газа. Четыре дня этот газ очищали от примесей, после чего заключили в трубочку для того, чтобы исследовать его спектр. Он озадачил Рамзая: линии спектра нового газа не совпадали с теми, что он наблюдал у аргона, добытого из воздуха. Особенно выделялась в спектре жёлтая линия, насторожившая учёного: не натрий ли это, случайно попавший в трубочку? Рамзай перепроверил себя, но жёлтая линия не исчезла. Он разобрал и собрав снова свой спектроскоп, полагая, что имеет дело с «привидением» — линией, появляющейся из-за неисправности прибора, — результат тот же. Выходит, это действительно натрий, но откуда он взялся? Тогда Рамзай наложил на загадочный спектр спектр натрия и получил жёлтую линию, расположенную рядом с уже имеющейся. Значит, жёлтая линия не принадлежит натрию, она принадлежит какому-то газу, но газ этот вовсе не аргон.

И вдруг Рамзая осенило. Да ведь это гелий — солнечное вещество Жансена и Локьера! За 30 минувших лет все уже свыклись с мыслью, что его местонахождение — атмосфера Солнца, и никто не попытался разыскать его на Земле. Трубочку с полученным газом Рамзай отправил Уильяму Круксу, по праву считавшемуся одним из лучших спектроскопистов, и попросил тщательно определить положение всех линий. Ничего о своих предположениях Рамзай Круксу не сообщил, написав только, что нашёл какой-то новый газ, предполагая назвать его криптоном (что по-гречески — скрытый). Ответ Крукса был краток, но до предельности выразителен: «Криптон — это гелий. Приезжайте — увидите. Крукс». Можно ли сомневаться в том, что Рамзай немедленно бросил всё и помчался посмотреть на пойманное им таинственное и манящее «солнечное вещество»?

В тот же день Рамзай послал краткое сообщение о своём открытии в Лондонское Королевское общество и написал письмо французскому химику Бертло.

Гелий обнаружен на Земле. 23 марта 1895 г. мир узнал об этом событии из публикации Рамзая. Прошло всего лишь полмесяца, и тот же Бертло получил послание от шведского химика Ланглэ, из которого следовало, что клевеит открыл свою тайну не только Рамзаю: Ланглэ тоже нашёл в нём гелий.

«Благородные» газы повели себя на первых порах совсем не благородно: кое-кому из химиков они внушили мысль, что поскольку им нет места в таблице Менделеева, то и у самого периодического закона нет права на жизнь. А Браунер и итальянские химики Р.Назини и А.Пиччини высказались в том смысле, что «бесполезны попытки применить к аргону и другим инертным элементам периодический закон, так как элементы эти лишены самого основного свойства, на котором построена вся система, — способности давать соединения, и не могут встать в такую классификацию, где основанием является именно форма соединения элементов».

Закон не отрицался, но для инертных газов делалось исключение: они ему «не подведомственны».

Всё это, конечно, волновало Менделеева, и в августе того же года он побывал в Англии и Франции, где беседовал о новых газах с Рамзаем, Бертло и другими учёными. О своей поездке он доложил на заседании Русского физико-химического общества. О гелии, который он ранее назвал «воображаемым», Менделеев сказал, что хотя о природе его известно мало достоверного, тем не менее он — нечто блистательное; спектр его ярок, оригинален, и можно только порадоваться, что удалось его открыть. Это о гелии, а об аргоне? «Нельзя отрицать, что с аргона началась новая эра в химии», однако «оба (Рамзай и Бертло. — Б.К.) говорят откровенно, что они решительно не знают, что такое аргон».

Рамзай на этот раз оказался более последовательным менделеевцем, чем Браунер, а может быть, и чем сам Менделеев. Он нисколько не сомневался в том, что аргон «даёт новое доказательство закона периодичности». Недаром впоследствии Менделеев «причислил его к лику укрепителей периодического закона», наравне с Буабодраном, Нильсоном, Винклером.

Рамзай не согласился с мнением Менделеева о том, что аргон — «конденсированный азот», и придерживался мысли, что он — смесь газов. Он энергично продолжал погоню за гелием, решив, что если этот элемент обнаружен в клевеите, то он должен присутствовать и в воздухе. Надо было как-то обойти затруднения, заключающиеся в том, что ни гелий, ни аргон нельзя с чем-то соединить, а стало быть, и разделить. Рамзай прибегнул к дробной перегонке: заморозил воздух до жидкого состояния (благо к тому времени была сконструирована нужная холодильная машина), после чего дал ему испариться, справедливо полагая, что это приведёт к разделению замороженного воздуха на составные части. Учёного поджидала неприятность: он упустил гелий, который испарился с воздухом, но тут же был «приятно разочарован», когда при спектральном анализе остатка увидел линии, принадлежащие аргону, и, кроме того, совершенно новые. Так был открыт новый благородный газ. Рамзай окрестил его именем, которое первоначально предназначалось гелию, — криптон. Гелий в воздухе он также нашёл, после чего в одной из публичных лекций отозвался об этом событии так: «Поиски гелия напоминают мне поиски очков, которые старый профессор ищет на ковре, на столе, под газетами — и находит у себя на носу. Гелий очень долго искали. А он был в воздухе!»

К этому времени были сконструированы более мощные холодильные машины, которые позволили Рамзаю открыть ещё два благородных газа — неон и ксенон.

Но по-прежнему ни для одного из инертных газов не находилось места в таблице Менделеева.

В начале 1900 г. бельгийский химик Эррера официально предложил выделить пять новых инертных газов в особую нулевую группу элементов. К такому мнению склонялись и Рамзай, и Крукс, и ряд других учёных. С этим согласился и Менделеев. В 1903 г. он констатировал: «Испытание было критическим как для периодической системы, так и для аналогов аргона. Оба новичка с блеском выдержали это испытание, т. е. атомные веса (по плотности), из опыта найденные для гелия и его аналогов, оказались прекрасно отвечающими периодической законности».

И тут нельзя не упомянуть о том, что задолго до того, как столь благополучно закончилось испытание периодического закона, в Шлиссельбургской крепости, этой мрачной темнице, куда русские цари прятали своих врагов и беззаветных борцов с самодержавием, учёный и революционер Н.А.Морозов пришёл к мысли о существовании группы инертных газов. Он предсказал даже их атомные веса, но об этом мир узнал, когда Морозов вышел на свободу и опубликовал книгу «Периодическая система строения вещества».

Итак, всё стало на свои места. Менделеев мог с полным правом впоследствии написать: «По-видимому, периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройки и развитие обещает… рамзаевские подтверждения всего многозначительнее». Предположение некоторых учёных о том, что первоначалом всех элементов является обнаруженный на Солнце гелий, было самым убедительным образом опровергнуто. Атомный вес водорода не превышал атомный вес гелия, наоборот, последний был в четыре раза тяжелее.