Как были открыты химические элементы

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.