Помоги проекту - поделись книгой:
Язык науки химии имеет свой алфавит. Его буквы — символы химических элементов; составленные из них слова — это самые разнообразные сочетания букв, бесчисленное разнообразие химических соединений. Их известно сейчас более четырех миллионов, каждую неделю это число увеличивается на шесть тысяч, и, наверное, не будет конца этому словообразованию в химии.
Отдельных букв — элементов несравненно меньше, сегодня их насчитывается всего сто семь. Чтобы составить алфавит химического языка, потребовалось несколько тысячелетий, но подавляющее большинство букв было расшифровано в последние двести лет. За этот короткий период и возникла фактически химическая наука.
Все химические соединения, из которых состоит живая и неживая природа, представляют собой многообразные сочетания восьмидесяти с небольшим элементов. Остальные известные ныне элементы в окружающем нас мире практически не существуют. Ученые создали их искусственным путем, с помощью ядерных реакций. На этом пути возможно получение новых элементов; сколько именно — мы не знаем. Но очевидно, что химический алфавит еще не исчерпан.
В книге будет дано описание того, как этот алфавит создавался, как пытливый ум исследователей позволял открывать — один за другим — все новые и новые химические элементы.
В наше время почти о всех химических элементах написано немало книг, и все вместе они составили бы большую библиотеку. В этих книгах рассказывается о том, в каких минералах и рудах встречаются химические элементы, как их оттуда извлекают, каковы их физические и химические свойства, как они служат человеку в его практической деятельности. Очень многие элементы вызывают удивление своей вездесущностью — разнообразием и неожиданностью областей использования на благо людей. Почти каждый элемент заявляет теперь о себе в полный голос, играет видную роль в современной научно-технической революции.
Но история химических элементов начинается с их открытия. Этим-то важным событиям обширные фолианты, в которых элементы подробно описаны, уделяют мало внимания. В то же время история открытия химических элементов — это большая часть истории человеческих знаний.
Приглашаем вас познакомиться с историями их открытий.
Каждый элемент имеет свою «биографию»; каждая «биография» по-своему интересна. История открытия многих элементов до сих пор не изучена в деталях, и немало спорных вопросов предстоит еще выяснить исследователям, изучающим историю химии. Быть может, кто-нибудь из вас в будущем окажется среди них…
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:
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).
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ.
ЭЛЕМЕНТЫ ОБНАРУЖЕННЫЕ В ПРИРОДЕ
Большинство химических элементов, известных к настоящему времени, были обнаружены в природных объектах, будь то различные руды и минералы или земная атмосфера, и можно с уверенностью сказать, что в природе более нет новых элементов, которые когда-либо будут найдены. Сюда причисляются все стабильные элементы, а также те, которые относят к естественно-радиоактивным. Их можно назвать и так: «открытые посредством анализа». Они существуют независимо от человека, от его знаний и методов исследования. Они существовали и на самых ранних этапах эволюции солнечной системы, когда формировалась планета Земля.
История открытия этих элементов и составляет содержание первой части нашей книги.
Более 90% элементов, найденных в природе, являются стабильными, т. е. не проявляют свойства радиоактивности. Они занимают в периодической системе Д. И. Менделеева клетки с 1 по 83, начиная от водорода и кончая висмутом. В этом ряду есть два «пробела», отвечающих элементам с Z
Естественно-радиоактивных элементов на Земле значительно меньше. Их последовательность в таблице начинается с полония (Z=84) и кончается ураном (Z=92). Среди них только торий и уран имеют очень большие периоды полураспада, а потому сохранились на Земле со времени ее образования и содержатся в довольно заметных концентрациях. Вот почему уран и торий были открыты как новые химические элементы задолго до того, как ученым удалось наблюдать явление радиоактивности. Других же естественно-радиоактивных элементов (полония, радона, радия, актиния и протактиния) несравненно меньше.
ГЛАВА I.
ЭЛЕМЕНТЫ ДРЕВНОСТИ
Древность, разумеется, понятие растяжимое, и потому название, под которым мы объединяем несколько химических элементов, в значительной степени условно. Но им широко пользуются в истории. В этой главе речь пойдет об элементах (главным образом металлах), упоминания об использовании которых встречаются в различных письменных источниках весьма далекого прошлого или их применение в те или иные времена удается установить на основании археологических данных.
Пользование термином «открытие» в данном случае совершенно беспочвенно. По временным меркам истории герои этой главы были признаны самостоятельными химическими элементами сравнительно недавно. Даты и авторы открытий вообще не могут фигурировать в описании ранних судеб элементов древности. В связи с этим и стиль, и метод изложения материала в настоящей главе будут специфическими. Это будет короткий рассказ о том, какие сведения об этих элементах известны и какое применение они имели в отдаленные времена.
Нам предстоит рассказать о семи металлах древности: золоте, серебре, меди, железе, свинце, олове, ртути — о «великолепной семерке» металлов, которая сыграла огромную роль и в развитии цивилизации, и в различных натурфилософских учениях. О сере, которой широко пользовались с давних времен. И наконец, об углероде. Быть может, именно он является самым древним химическим элементом, ставшим известным человеку. Поэтому с углерода мы и начнем историю химических элементов.
Иногда к элементам древности причисляют еще цинк, платину, сурьму и висмут, но сведения о том, что они были известны в древности, не очень определенны.
УГЛЕРОД
Определить точную дату открытия углерода невозможно. Однако установить, когда он был признан простым веществом, нетрудно. Для этого достаточно обратиться к «Таблице простых тел» Лавуазье, опубликованной в 1789 г. В ней углерод фигурирует как простое вещество. Но путь, который прошел углерод, прежде чем занять это место в таблице, измеряется не годами и даже не веками, а тысячелетиями. Человек познакомился с углеродом даже раньше, чем научился добывать огонь, встречаясь со сгоревшими от удара молнии лесами. Когда же человек овладел искусством добывания огня, углерод стал его постоянным спутником.
Углерод сыграл важную роль в развитии теории флогистона. Эта теория даже помогла на некоторое время укрепиться мнению, что углерод не есть простое вещество. Основатели теории флогистона принимали уголь за чистый флогистон. Первым, кто показал, что углерод есть простое вещество, был А. Лавуазье, который исследовал процесс сжигания угля и других веществ. Здесь мы немного отвлечемся от рассказа о том, как углерод стал самим собою, и вот почему.
Дело в том, что в природе углерод встречается в виде двух аллотропных модификаций — алмаза и графита, причем обе были известны человеку с давних пор. То, что алмаз при сильном нагревании сгорает без остатка, было известно также давно. Тем не менее алмаз и графит считали двумя совершенно разными веществами. Событием, которое помогло установить, что алмаз и графит есть видоизменения одного и того же вещества, было открытие углекислого газа. А. Лавуазье провел опыты по сжиганию алмаза и древесного угля и установил, что при сгорании оба вещества дают углекислый газ. Это дало ученому основание считать, что алмаз и уголь имеют одно и то же «начало». В 1787 г. в книге «Метод химической номенклатуры» (А. Лавуазье, А. Гитона де Морво, К. Бертолле и А. Фуркруа) появляется название
Можно провести некоторую параллель между самим элементом, известным с древнейших времен, и его латинским названием, корень которого восходит к одному из самых древних языков — санскриту. Санскритское
В 1797 г. С. Теннант обнаружил, что при сгорании одинаковых количеств алмаза и графита выделяется одно и то же количество углекислого газа, а в 1799 г. А. Гитон де Морво подтвердил, что углерод является единственной составляющей алмаза, графита и кокса. Через двадцать лет после этого ему же удалось перевести алмаз в графит, а затем в углекислый газ путем осторожного нагревания. Но обратный перевод графита в алмаз оказался не под силу науке XVIII и XIX вв. Лишь в 1955 г. группе английских ученых удалось получить первые в мире искусственные алмазы. Синтез проводили при давлении свыше 109 Па и температуре 3000°C.
Вскоре после синтеза алмаза советские ученые получили новое вещество — карбин, которое, как теперь уже доказано, является новой, третьей аллотропической модификацией углерода. Атомы углерода в карбине вытянуты в длинные цепочки. Это вещество похоже на сажу.
Исследования углерода и его соединений положили начало огромной области химии — органической.
СЕРА
Сера известна человеку очень давно. Уже во времена Гомера древние греки использовали специфические свойства сернистого газа, получающегося при сгорании серы, для дезинфекции помещений. Месторождения самородной серы также известны с давних пор. Так, Плиний Старший описывает месторождения серы в Италии и на Сицилии. Серу использовали для приготовления красок и обработки тканей. Как и уголь, серу издревне применяли в качестве пиротехнического средства. Состав, известный под названием греческого огня и изобретенный, по-видимому, в V в. в Византии, представлял собой смесь мелко растертых серы (одна часть), угля (две части) и селитры (шесть частей). Интересно отметить, что этот состав мало отличается от состава черного (дымного) пороха.
То, что сера — хороший горючий материал, и то, что она довольно легко соединяется с большим количеством металлов, объясняет ее «привилегированное» положение среди других веществ в средние века. Алхимики считали серу началом горючести и составной частью всех металлов. Сере часто приписывали самые необыкновенные свойства, хотя у некоторых алхимиков мы встречаем точное описание многих ее настоящих свойств.
Элементарную природу серы установил А. Лавуазье. Однако, несмотря на то что к началу XIX в. сера уже признавалась самостоятельным элементом, были проведены опыты с целью выяснения точного состава самородной серы. В 1808 г. Г. Дэви полагал, что сера в обычном состоянии является соединением малых количеств кислорода и водорода с большим количеством серы. Это ставило под сомнение элементарную природу серы, но уже в 1809 г. Ж. Гей-Люссак ее точно установил. В 1810 г. Г. Дэви указал, что, по-видимому, содержание кислорода в сере обусловлено присутствием в самородной сере ее оксидов. В зависимости от месторождения, где были отобраны пробы, менялось и количество кислорода в сере. С точки зрения современной химии можно сказать, что найденный Г. Дэви кислород в сере не был кислородом ее оксидов, а был кислородом оксисульфидов различных металлов, которые всегда присутствуют в сере.
Русское название элемента восходит своими корнями к санскритскому слову
ЗОЛОТО
Карл Маркс в свое время писал: «Золото было, в сущности, первым металлом, который открыл человек»[2].
Это действительно так. Золотые предметы обнаруживали в раскопках вместе с каменными орудиями, относящимися к неолитическому периоду. Но тогда, по-видимому, использовали золото, которое люди находили случайно, во время кочевий и стоянок. Лишь с расслоением общества на классы стали предприниматься попытки разработок золотых рудников. Объяснение простое. Благодаря хорошей сохранности при любых условиях, хорошей делимости на части и высокой стоимости золото с давних пор стало выполнять функцию денег.
В качестве материала для украшений золото также употреблялось с незапамятных времен. В Египте при раскопках пирамид всех династий фараонов археологи находили огромное количество золотых украшений, и не только украшений, но и предметов домашнего обихода.
Золото применяли не только в Египте. За 1000 лет до нашей эры его использовали в Китае, Индии, государствах Месопотамии. В Греции золотое обращение было уже в VIII–VII вв. до н. э., в Армении золотые деньги появились в I в. до н. э. Таким образом, народы древних государств в Европе и Азии были знакомы с золотом. Древнейшие золотые копи находились в Индии и Нубии (Северо-Восточная Африка).
Но способы очистки золота в древности не позволяли выделить металл в чистом виде. Обычно получали сплав золота с серебром, сопутствующим ему. Этот сплав назывался азем. Был известен и природный сплав золота и серебра — электрум.
Ни один металл не сыграл в истории человечества такой неблаговидной роли, как золото. За право им обладать велись войны, уничтожались народы и государства. Совершались страшные преступления. Но обладание золотом не приносило человеку успокоения. Наоборот, в душу его вселялись тревога и боязнь за свои сокровища.
Мрачным периодом в истории погони за золотом является алхимический период, длившийся с IV по XVI в. Алхимики пытались найти философский камень, с помощью которого можно было превращать в золото неблагородные металлы. Алхимия возникла не на пустом месте. Тому был целый ряд предпосылок. Быстрое развитие Египта было связано с тем, что египтяне знали способ извлечения золота. Далее, было известно, что железные предметы, долгое время находившиеся в медных рудниках, покрывались слоем меди. Считали, что железо переходит в медь. Если так, то почему другие металлы не могут перейти в золото? Природный сульфид свинца почти всегда содержит примеси серебра, которое иногда удавалось выделить. Не могло ли серебро образоваться на свинце? И наконец, развитию алхимии способствовал взгляд о единстве материи, т. е. мысль, что все вещества состоят из одних и тех же составных частей, находящихся в различных соотношениях.
Все поиски философского камня оказались, как и следовало ожидать, тщетными, хотя многие алхимики поплатились жизнью за эти изыскания. Все же сообщения о якобы найденных способах получения золота из других металлов оказались откровенным шарлатанством.
Алхимия еще пышно процветала в Европе, когда первые испанские завоеватели отправились в Южную и Центральную Америку. В стране инков они подивились тому количеству золота, которое увидели. Золото было у инков священным металлом бога Солнца, поэтому несметные богатства были накоплены в храмах. Испанцы захватили в плен Великого Инку — Атауальпу. Они пообещали ему свободу за фантастический выкуп — почти 50 м3 золота. Но Франциско Писарро считал, что опасно освобождать Великого Инку, и, не дождавшись до конца обещанного выкупа, испанцы казнили его. В то время, когда инки узнали о гибели своего вождя, в пути находился караван из 1100 лам, груженных золотом. Инки запрятали это золото в горах Азангар, что означает самое отдаленное место. Но спрятать все свои богатства они не смогли. Испанцы захватили и разграбили Куско — один из богатейших городов Перу. Ценнейшие произведения ювелирного искусства переплавляли в слитки и отправляли в Испанию.
В России первые месторождения золота стали разрабатывать в 1600 г., но по-настоящему промышленная добыча этого металла началась лишь в XIX в.
Современное название «золото», по мнению историков химии, имеет своим корнем
СЕРЕБРО
Поделиться книгой: