Как были открыты химические элементы

Темпы открытий новых элементов с 1750 по 1925 г.

Годы Открытие элементов и их число Общее число известных элементов До 1750 16 (С, Р, S, Fe, Со, Си, Zn, As, Ag, Sn, Sb, Pt, Au, Hg, Pb, Bi) 16 1751–1775 8 (H, N, O, F, Cl, Mn, Ni, Ba) 24 1776–1800 10 (Be, Ti, Cr, Y, Zr, Mo, Те, W, U, Sr) 34 1801–1825 18 (Li, B, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Se, Nb, Rh, Pd, Cd, I, Ce, Ta, Os, Ir) 52 1826–1850 7 (V, Br, Ru, La, Tb, Er, Th) 59 1851–1875 5 (Rb, In, Cs, Tl, Ga) 64 1876–1900 19 (He, Ne, Ar, Sc, Ge, Kr, Xe, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Ho, Tu, Yb, Po, Ra, Ac, Rn) 83 1901–1925 5 (Eu, Lu, Hf, Re, Pa) 88

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).