Как были открыты химические элементы

Серебро является более активным металлом, чем золото, и, хотя его процентное содержание в земной коре примерно на полтора порядка выше, чем у золота, в самородном состоянии оно встречается гораздо реже. Неудивительно, что в древности серебро ценилось выше золота. Например, в Древнем Египте соотношение стоимости этих металлов выражалось как 2,5:1. Если золото главным образом шло на изготовление монет и украшений, то серебро находило себе иное применение. В частности, из него изготовляли сосуды для воды.

В IV в. до н. э. войска Александра Македонского покорили Персию и Финикию и вторглись в Индию. Здесь на людей обрушилась эпидемия кишечных заболеваний, воины потребовали возвращения домой. Но вот что интересно. Заболевания совершенно не тронули командный состав армии, хотя военачальники делили с солдатами все трудности и тяготы похода. Только более чем через две тысячи лет ученые нашли причину. У простых воинов были оловянные бокалы, у командиров — серебряные. Оказалось, что серебро способно растворяться в воде с образованием коллоида, и этот раствор убивает болезнетворные бактерии. Как ни мала растворимость серебра в воде, этого количества достаточно для дезинфекции.

Серебряные рудники были известны с глубокой древности. Наиболее значительные месторождения серебра находились в Греции, Испании и Германии. С открытием Америки были обнаружены месторождения в Перу и Мексике. Часто в качестве примесей к серебряной руде выступают свинцовые минералы. До нас дошел способ получения серебра, очищенного от свинца. Серебряная руда измельчалась, промывалась водой и высушивалась. Затем она сплавлялась с флюсом, и этот сплав нагревался с древесным углем. Полученный в результате сплав серебра и свинца прокаливали. При нагревании на воздухе серебро практически не окисляется, а свинец почти полностью переходит в оксид. Температура плавления оксида свинца составляет 896°C, а серебра — 960°C. Так получали практически чистое серебро. В наше время используются другие, более совершенные способы очистки серебра от примесей.

Серебро, как и золото, шло на изготовление монет, но стоимость серебра относительно золота все время понижалась. В 1874 г. стоимость одного фунта золота приравнивалась к стоимости 15,5 фунта серебра, а после открытий месторождений серебра в Австралии это соотношение упало до 1:46. В Англии биметаллизм, т. е. использование двух металлов в качестве денежной основы, был устранен в 1816 г. Затем примеру Англии последовали и другие страны.

Названиями «рубль» и «копейка» мы также обязаны серебру. В XIII в. появился на Киевской Руси рубль — слиток серебра массой примерно в 200 г. Полагают, что при изготовлении рублей вначале отливали длинный слиток серебра, а потом его рубили на части. Слово «копейка» появилось несколько позже, в 1534 г., когда в России стали чеканить монеты с изображением всадника, вооруженного копьем.

Название «серебро», по-видимому, происходит от ассирийского слова серпу или от готского силубр. Латинское же название «аргентум» скорее всего от санскритского арганта, что означает «светлый, белый».

МЕДЬ

По мнению французского ученого М. Бертло, человечество познакомилось с медью не менее пяти тысяч лет назад. По мнению других исследователей, это произошло значительно раньше. Медь и ее сплав с оловом — бронза — были долгое время наиболее употребительными металлическими материалами. Знакомство с этими двумя материалами обозначило целую эпоху в истории развития человечества — бронзовый век. Почему медь сыграла такую важную роль? Медь довольно распространена в природе и хорошо обрабатывается. Вначале люди использовали только ту медь, которая встречалась в самородном состоянии, но затем возникла необходимость в использовании и обработке медных руд. Из руд с большим содержанием меди металл выплавлялся сравнительно легко. Уже в третьем тысячелетии до нашей эры медь широко использовали как материал для изготовления орудий труда. Египетская пирамида Хеопса сложена из гигантских каменных глыб, каждая из которых была обтесана медными инструментами.

Из древних медных рудников особой славой пользовались рудники на острове Кипр, откуда, по-видимому, и пошло латинское название меди — купрум. Русское название «медь» происходит от слова смида; так древние племена, населявшие европейскую часть нашей страны, называли металл вообще.

Полное вытеснение каменных орудий наступило лишь после знакомства людей с бронзой. Бронза скорее всего первоначально была получена случайно. Об этом говорят и находки на острове Крит, датируемые примерно 3500 г. до н. э. Вместе с медными предметами там попадаются и бронзовые. Вначале бронза была дорога и шла главным образом на изготовление различных украшений и предметов роскоши. В Древнем Египте из бронзы делали зеркала. Бронза, равно как и медь, оказалась прекрасным материалом для чеканки и скульптуры. Уже в V в. до н. э. люди научились отливать бронзовые статуи. Особенного развития бронзовая скульптура достигла в Древней Греции, начиная с Микенского периода. И в наше время медь и бронза сохранили за собой эту роль.

Наряду с бронзой давно известен и другой замечательный медный сплав — латунь, — получавшийся при сплавлении меди с цинковой рудой. Медь, бронза и латунь были знакомы древним египтянам, индусам, ассирийцам, римлянам, грекам. Как медь, так и бронза шли на изготовление оружия. При раскопках, относящихся к VIII–VI вв. до н. э., на Алтае, в Сибири и в Закавказье были найдены ножи, наконечники стрел, щиты и шлемы, изготовленные из меди и бронзы. В Древней Греции и в Риме медь и бронзу также часто использовали как материал для изготовления мечей и щитов. Медь нашла себе применение и с изобретением огнестрельного оружия.

ЖЕЛЕЗО

Железо является вторым по распространенности среди металлов в природе, уступая лишь алюминию. Но самородное железо — крайняя редкость, и, вероятно, первое железо, попавшее в руки человека, имело метеоритное происхождение. Железо очень легко окисляется в присутствии воды, воздуха и встречается главным образом в виде оксидов. Легкой окисляемостью железа объясняется и тот факт, что изделия из него, относящиеся к древним временам, встречаются крайне редко. С железом люди познакомились около пяти тысяч лет назад. Вначале железо было очень дорого и ценилось гораздо дороже золота, причем многие изделия из железа помещались в золотую оправу.

Если с золотом, серебром и медью народы всех континентов познакомились примерно в одно и то же время, то с железом дело обстояло иначе. Так, в Египте и Месопотамии способ получения железа из руд был открыт во втором тысячелетии до нашей эры, в Закавказье, Малой Азии и Древней Греции — в конце второго тысячелетия, в Индии — в половине второго тысячелетия, а в Китае значительно позднее — лишь в середине первого тысячелетия до нашей эры. В странах Нового Света железный век наступил лишь с приходом европейцев, т. е. во втором тысячелетии нашей эры, а отдельные африканские племена перешли к использованию железа, минуя бронзовый век. Это объясняется различием природных условий. В тех странах, где запасы меди и олова были невелики, возникла необходимость поиска замены этим металлам. В Америке же находится одно из самых крупных месторождений самородной меди, поэтому искать какие-либо новые металлы не было необходимости. Постепенно выработка железа росла, и оно стало переходить из разряда драгоценных металлов в разряд обычных. К началу нашей эры его уже широко использовали.

Среди всех известных к тому времени металлов и сплавов железо обладало наибольшей прочностью. Поэтому, как только железо стало относительно дешево, из него начали изготавливать различные инструменты и оружие. Уже в начале нашей эры производство железа в Европе и Азии было хорошо налажено, причем особенных успехов в выплавке и обработке железа добились индийские металлурги.

Интересен сам процесс развития методов выработки железа. Сначала человек использовал только метеоритное железо, которое было очень редким и потому дорогим. Затем люди научились получать железо путем сильного нагревания его руд с углем на хорошо обдуваемых ветром местах. Железо получалось губчатым, низкого качества, с большими вкраплениями шлака. Важным шагом в процессе производства железа было появление горна, открытого сверху и обложенного изнутри огнеупорным материалом. Раскопки древних городов в Сирии говорят о том, что с помощью такого метода удавалось получать довольно качественное железо. Далее заметили, что чугун, который раньше считали отходами производства, можно превращать в железо, причем этот процесс требует куда меньших затрат угля и выгоден из-за высокого качества получаемого продукта.

К концу XV в. появились первые плавильные печи, в которых получали исключительно чугун. Процесс выплавки железа и стали быстро развивался. В 1855 г. был предложен конверторный способ получения стали, который применяется и по сей день. Вслед за ним в 1865 г. был разработан мартеновский способ получения стали, позволивший получать сталь, почти свободную от шлаков.

По поводу происхождения названия элемента существуют две точки зрения. Некоторые ученые полагают, что название произошло от санскритского джальжа — металл, руда; другие кладут в основу другой санскритский корень — жель, означавший «блестеть, пылать». Химический символ Fe железо получило от латинского феррум, что означает «железо».

СВИНЕЦ

Свинец очень редко встречается в самородном состоянии, но из руд он выплавляется довольно легко. Впервые свинец стал известен египтянам одновременно с железом и серебром. За два тысячелетия до нашей эры свинец умели выплавлять в Индии и Китае. Производство свинца в Европе началось несколько позже, хотя в записях, относящихся к VI в. до н. э., мы находим упоминание о свинце, привозившемся на Тирскую ярмарку. При владычестве царя Хаммурапи в Вавилоне свинец получали в больших количествах. Долгое время свинец путали с оловом. Олово называли плюмбум альбум, а свинец — плюмбум нигрум. Лишь в средние века их стали признавать за различные металлы.

Греки и финикийцы заложили много свинцовых шахт в Испании. Позже эти шахты разрабатывали римляне. В Древнем Риме свинец находил широкое применение. Из него изготовляли посуду, палочки для письма, а также трубы знаменитого римского водопровода. Свинец шел также на изготовление свинцовых белил. Крупнейшим поставщиком белил был остров Родос. Способ, по которому их изготовляли, не утратил своего значения до настоящего времени. Он состоит в следующем. Куски свинца погружают в уксус, образующуюся соль долгое время кипятят с водой и в результате получают свинцовые белила. А вот свинцовый сурик впервые был получен весьма оригинально. Во время пожара в Пирейском порту в огонь попали и бочки со свинцовыми белилами. Когда пожар потушили, в обуглившихся бочках нашли вещество красного цвета; это и был свинцовый сурик.

В России производство свинца известно с давних пор. Но вплоть до XVIII в. производство его носило кустарный характер. С изобретением огнестрельного оружия из свинца стали изготавливать пули, и сейчас еще военное значение свинца велико. Но помимо «военной» профессии, у свинца существует и много мирных — его сплав с сурьмой служит основным материалом для типографских шрифтов; свинец используется для защиты от проникающей радиации при различных исследованиях.

Греки называли свинец молибдос, а своим химическим символом Pb он обязан латинскому названию плюмбум. Происхождение русского названия неясно.

ОЛОВО

Олово, как правило, встречается в природе в виде минерала касситерита. Считается, что с оловом люди познакомились примерно 6–6,5 тысячи лет назад, т. е. в тот же период, что и с медью. Производство олова было широко известно на побережье Средиземного моря, в Персии, в Индии. Египтяне вывозили олово, необходимое для производства бронзы, из Персии. В своей книге «Древние египетские материалы и производство» А. Лукас отмечает, что, хотя в самом Египте оловянные руды не были известны, самые ранние изделия из этого материала, исключая бронзу, были найдены в гробницах фараонов восемнадцатой династии (1580–1350 гг. до н. э.). Эти изделия (в частности, кольцо и бутылку) считают также вообще самыми ранними изделиями из олова. Олово было известно не только в странах средиземноморского бассейна. Так, Юлий Цезарь упоминает о производстве олова в центральных районах Британии. Кортес, прибыв в Южную Америку в 1519 г., обнаружил, что оловянные монеты имели широкое хождение в Мексике. Однако установить, когда олово стало известно в Америке, не представляется возможным.

Олово в древности шло не только на изготовление бронзы. Из него изготовляли посуду, украшения. Плиний Старший и Диоскорид упоминают о лужении медных листов с целью предохранения от коррозии.

Вплоть до XIII в. единственной страной в Европе, где производилось олово, была Англия. Олово ценилось довольно высоко. В середине XVI в. оно было в одной цене с серебром и шло на изготовление предметов роскоши. Затем в связи с расширением производства олово стало находить большое практическое применение. Так, например, оно шло на изготовление белой жести.

Латинское название олова станнум корнями восходит к санскритскому стан, что означает «твердый». Символом Sn элемент обязан латинскому названию. Происхождение русского названия неясно.

РТУТЬ

У писателя-фантаста И. А. Ефремова есть рассказ «Озеро горных духов». Люди, оказавшиеся на берегах этого озера в солнечную погоду, погибали. Местные жители уверяли, что озеро населяют духи, которые не терпят пришельцев. Экспедиция геологов смогла добраться до затерянного в горах озера, и люди с изумлением обнаружили, что озеро состояло не только из воды. Вместе с водой присутствовала самородная ртуть. А «злыми ду́хами» были ртутные пары́, которые в жаркую погоду поднимались на поверхности маленьких и больших луж, окружавших озеро и наполненных ртутью.

Действительно, ртуть довольно часто встречается в самородном состоянии, причем порой в самых неожиданных местах. Так, в некоторых горных областях Испании ртуть находили на дне колодцев. Ртуть была известна в древности в Китае и Индии. При раскопках египетских гробниц, относящихся примерно к середине второго тысячелетия до нашей эры, также была найдена ртуть. Большинство исследователей считают, что единственным минералом ртути, известным древним, была киноварь. Теофраст (300 г. до н. э.) описывает способ получения ртути из киновари при взаимодействии ее с медью и уксусом. Раннее знакомство человека со ртутью объясняется тем, что ртуть выделяется из киновари сравнительно легко при достаточно сильном нагреве.

Наиболее крупное месторождение ртути находится в Альмадене (Испания). Разработка этого месторождения началась еще в период Римской империи. Ежегодно римляне добывали 4,5 т ртути.

В древности ртуть находила широкое применение. С помощью ртути изготовляли амальгамированные зеркала, ртуть и ее соединения применяли в медицине, киноварь использовали главным образом как краситель, а не для получения чистой ртути. До изобретения гальванического способа покрытия одного металла другим ртуть использовали для золочения и серебрения. Амальгаму металла наносили на металлический лист и сильно нагревали. При этом ртуть испарялась, а тончайший слой золота или серебра оставался на листе. Но этот способ был очень опасным. Большую роль сыграла ртуть в изучении газов, ее применяли в насосах и сосудах для хранения газов.

Аристотель называл ртуть жидким серебром, Диоскорид — серебряной водой. Отсюда и происходит латинское название ртути — гидраргирум. Происхождение русского названия элемента неясно.

ГЛАВА II.

ЭЛЕМЕНТЫ, ОТКРЫТЫЕ В СРЕДНИЕ ВЕКА

Существует несколько химических элементов, которые трудно классифицировать с точки зрения их обнаружения. Когда описанные в главе I девять элементов мы с полной определенностью причисляли к элементам древности, то имели на это все основания. Но вот перед нами пять элементов: фосфор, мышьяк, сурьма, висмут и цинк. Есть свидетельства, что люди имели представление о них, кроме фосфора (или, по крайней мере, об их рудах и минералах), в доисторические времена, во всяком случае до наступления новой эры. Но представления эти были нечеткими и запутанными. Относительная ясность наступила гораздо позже, в ту эпоху, когда расцветали алхимические воззрения и развивались различные химические ремесла, когда в лабораториях и в аптеках производили различные химические операции. Их суть так и оставалась непонятной. Но благодаря им в химический обиход вошли многие полезные для науки вещества, в частности некоторые кислоты и соли.

В ходе подобных исследований были обнаружены элементы, о которых речь пойдет в настоящей главе. Еще далеко за горизонтом пряталась звезда аналитической химии, и факты знакомства с этими элементами никак нельзя было назвать открытиями новых элементов.

Словом, судьбы фосфора, мышьяка, сурьмы, висмута и цинка оказываются специфическими. По странной прихоти природы Р, As, Sb и Bi входят в главную подгруппу пятой группы периодической системы. Сходство свойств часто приводило к путанице представлений.

Поскольку хронологическая последовательность открытий этих элементов не так уж и важна, начнем повествование с фосфора.

ФОСФОР

Самое интересное, пожалуй, то, что из всех древних и средневековых элементов только фосфору может быть приписана совершенно точная (с точностью до года) дата обнаружения — 1669 г. Практически нет достоверных упоминаний о том, что люди встречались с фосфором или с его соединениями раньше. Открытие фосфора — это важное и неожиданное событие XVII в. Оно произвело большое впечатление на просвещенные умы, если не сказать, вызвало сенсацию. Причиной тому было совершенно необычное свойство вещества (элементом его назвать было бы преждевременно): оно само по себе при обычной температуре светилось на воздухе. Такого рода вещества (например, болонский камень — продукт прокаливания минерала барита с углем и маслом, т. е. сульфид бария BaS) назывались фосфорами (от греческого фос — «свети» и форо — «несу»). Так будущее название появилось раньше открытия самого элемента.

Необычной была и история его открытия. В Гамбурге жил разорившийся торговец Хенинг Брандт. Алхимия в то время уже постепенно начинала сдавать свои позиции, но вера в существование философского камня еще жила. Верил в него и X. Брандт. Желая поправить свои торговые дела, он стал отыскивать первичную материю в различных соединениях. В круг его исследований попала и человеческая моча. X. Брандт выпарил мочу до сиропообразной консистенции, затем перегнал и получил жидкость красного цвета, которую он назвал уринным маслом. Перегнав эту жидкость еще раз, X. Брандт обнаружил на дне реторты черный осадок. После долгого прокаливания остаток переходил в белое светящееся вещество, оседавшее на стенках колбы-приемника. Можно представить себе радость алхимика! Ведь он считал, что выделил элементарный огонь. X. Брандт постарался сохранить свой секрет в тайне и продолжал работы с фосфором, надеясь получить с его помощью золото из других металлов. Эти работы, как и следовало ожидать, ни к чему не привели.

Но сохранить долго в тайне новое вещество X. Брандту не удалось. И открыл эту тайну он сам. Не получив золота из неблагородных металлов, он решил заняться продажей нового диковинного вещества, стараясь при этом не сообщать никому способ его приготовления. Но и это не удалось. Фосфор, как только стал известен в Европе, сразу же привлек к себе внимание многих ученых: крупнейшего математика Г. Лейбница, химиков и физиков И. Крафта, И. Кункеля, Р. Бойля, X. Гюйгенса и др. И. Кункель, бывший в то время придворным алхимиком у саксонского курфюрста, направил в Гамбург своего помощника И. Крафта с целью выведать у X. Брандта секрет приготовления фосфора. И. Крафт купил этот секрет за 200 талеров, по к И. Кункелю способ приготовления фосфора так и не попал. И. Крафт решил монопольно пользоваться правом получения нового вещества и отправился в путешествие по Европе, удивляя знатных особ свечением вещества, доселе невиданного. И. Кункель попытался самостоятельно получить фосфор и в результате долгой работы смог наконец-то выделить новый элемент.

До нас не дошел в деталях способ, по которому X. Брандт получил фосфор, но способ И. Кункеля (1676) известен достаточно хорошо. Сущность его в следующем: свежую мочу выпаривали до черного осадка, который нагревали сначала осторожно, затем сильно с песком и углем. После того как летучие и маслянистые вещества были удалены, фосфор осаждался на холодных стенках реторты-приемника в виде белого налета. При этом происходили следующие химические реакции:

Однако и И. Кункель не решился опубликовать способ получения фосфора, предпочитая сохранять его в тайне. В третий раз примерно тем же способом получил в 1680 г. фосфор и Р. Бойль, который сообщил об этом в закрытом письме Лондонскому королевскому обществу. Ассистент Р. Бойля А. Хенквиц довольно широко поставил производство фосфора и извлекал немалую прибыль, так как фосфор стоил дорого.

Долгое время считалось, что фосфор существует лишь в одной — белой — аллотропической модификации, но в 1847 г. А. Шреттер, нагревая белый фосфор без доступа воздуха до 300°C, получил красный фосфор, который в отличие от белого не был ядовит и не возгорался на воздухе. В 1934 г. П. Бриджмен, подвергнув фосфор нагреванию при значительном давлении, получил третью модификацию — черный фосфор.

МЫШЬЯК

Соединение мышьяка, а именно его сульфиды As₂S₃ — аурипигмент и As₄S₄ — реальгар, или сандарах, были хорошо известны грекам и римлянам. Аурипигмент был известен также под названием «арсеник». Плиний Старший и Диоскорид отмечали ядовитость этих веществ, а Диоскорид упоминал о прокаливании арсеника с целью получения белого мышьяка — оксида.

Мышьяк изредка встречается в природе в самородном состоянии и довольно легко выделяется из своих соединений. Кто первым получил элементарный мышьяк, неизвестно. Обычно это достижение приписывается алхимику Альберту Великому. Парацельс описывал процесс получения мышьяка в металлическом состоянии путем прокаливания арсеника с яичной скорлупой. Согласно некоторым источникам металлический мышьяк был известен гораздо раньше, но его считали разновидностью самородной ртути. Это объясняется тем, что сульфид мышьяка похож на один из ртутных минералов, а выделение мышьяка из его руд не представляет значительного труда.

Мышьяк был известен в средние века не только в Европе, но и в Азии. Китайские алхимики также умели получать мышьяк из его руд. Если в Европе в средние века не существовало еще способа установить, явилось ли причиной смерти человека отравление мышьяком, то китайские алхимики могли это доказать. К сожалению, метод анализа так и остался неизвестным. В Европе же реакция на содержание мышьяка в теле человека и в пище, которую он принимал незадолго до смерти, была открыта позже Д. Маршем. Эта реакция является очень чувствительной и применяется до сих пор.

Так как мышьяк иногда сопровождает олово, то в истории были случаи, упоминаемые, например, в китайской литературе, отравления людей водой и вином, стоявшими некоторое время в новых оловянных сосудах.

Долгое время люди путали белый мышьяк, или же его оксид, и сам мышьяк, принимая их за одно и то же вещество. Эта путаница была устранена вначале Г. Брандтом, а затем А. Лавуазье, который доказал, что мышьяк является самостоятельным химическим элементом.

Оксид мышьяка издавна использовали для уничтожения грызунов и насекомых. Отсюда и пошло русское название мышьяка, которое происходит от двух слов: «мышь» и «яд». Символ элемента As произошел от латинского названия арсеникум, истоки которого очень запутаны.

СУРЬМА

Сурьма известна, как и ее соединения, с глубокой древности. Некоторые исследователи утверждают, что металлическую сурьму применяли в Южной Вавилонии для изготовления сосудов около 3400 лет до н. э. Однако самым распространенным использованием сурьмы в древности было применение ее соединений в качестве косметических средств. Из них изготавливались румяна и черная краска для бровей. Однако в Египте, по всей видимости, сурьма была неизвестна или почти неизвестна. Об этом свидетельствуют раскраска мумий и исследования египетских гробниц.

В древности сурьму путали со свинцом. Лишь в алхимической литературе эпохи Возрождения сурьма определяется достаточно точно. У Г. Агриколы уже точно указывается, что сурьма представляет собой металл, отличающийся от других металлов. Василий Валентин посвятил сурьме целый трактат «Триумфальная колесница антимония». В нем он описал применение сурьмы и ее соединений.

По поводу латинского названия сурьмы — антимоний — существует несколько версий. Скорее всего, название происходит от греческого слова антимонос — противник уединения, чем подчеркивается совместное присутствие сурьмы с другими минералами.

Русское слово «сурьма» имеет тюркский корень. Первоначальное его значение — грим, мазь, сохранившееся до нашего времени в некоторых восточных языках. Русское название «сурьма» было введено в 1724 г.

ВИСМУТ

Висмут известен человечеству давно, но его на протяжении долгого времени путали с сурьмой, свинцом и оловом. Парацельс, например, отмечал, что известны две разновидности антимония: одна обычно черная, с ее помощью очищается золото, и она очень похожа на свинец; другая же разновидность белая, которую называют также висмутом, она сходна с оловом, а при смешивании с другой разновидностью становится похожей на серебро. Такая путаница продолжалась долгое время. С химической точки зрения это объясняется просто. Сурьма и висмут — элементы-аналоги, обладающие вместе с тем и рядом сходных свойств со свинцом и оловом, элементами соседней группы.

Агрикола в отличие от Парацельса, дал довольно детальное описание висмута и способа его извлечения из руд, добываемых в Саксонии. Горняки считали, что висмут, как и олово, является разновидностью свинца и что висмут способен превращаться в серебро.

В Центральной России висмут известен с XV в. С развитием книгопечатания висмут вместе с сурьмой стали применять для изготовления типографских шрифтов. Пожалуй, найдется мало элементов, которые встречались бы в литературе под столь большим количеством названий, как висмут. Е. фон Липиман в своей книге «История висмута с 1480 по 1800 г.» указывает двадцать одно название этого металла в Европе. Достаточно полное представление о висмуте как о самостоятельном металле сложилось только в XVIII в. Название «висмут» происходит от искаженных немецких слов вис и мат — белая масса.

ЦИНК

Цинк относится к элементам, соединения которых были известны человечеству с давних времен. Наиболее известным минералом цинка был галмей, или каламин, — карбонат цинка. При его прокаливании получался оксид цинка, находивший довольно широкое применение, например, при лечении глазных болезней.

Оксид цинка сравнительно легко восстанавливается до свободного металла, но получить цинк в металлическом виде удалось гораздо позже, чем были получены медь, железо, олово и свинец. Дело в том, что для восстановления оксида цинка углем требуется высокая температура (~1100°C). Температура кипения металла — 906°C, поэтому пары цинка легколетучи и уходят из сферы реакции.

Раньше, чем был получен сам металл, руды цинка применяли для приготовления латуни — сплава цинка и меди. Латунь была известна в Греции, Риме, Индии и Китае. Точно установлено, что римляне впервые получили латунь во времена императора Августа (20 г. до н. э.–14 г. н. э.). Интересно, что римский способ получения латуни не менялся вплоть до XIX в.

Установить, когда был получен металлический цинк, невозможно. В доисторических дакийских развалинах найден идол, содержащий 27,5% цинка. Возможно, что цинк получали при производстве латуни как побочный продукт.

В X–XI вв. искусство получения цинка в Европе было утрачено, и цинк ввозился из Индии и Китая. Считается, что впервые промышленное производство цинка было налажено в Китае. Способ производства был крайне прост. Глиняные горшки, наполненные каламином, плотно закрывали, складывали в пирамиду, промежутки между ними заполняли углем, и горшки нагревались докрасна. После охлаждения горшки разбивали и извлекали слитки металла. Горшки служили конденсаторами паров цинка.

Вторично получение цинка в Европе стало известно в XVI в., причем уже к тому времени цинк признавался как самостоятельный металл. В течение последующих двух веков много химиков и металлургов занималось методами выделения цинка. Тут большая заслуга принадлежит А. Маргграфу, который в 1746 г. опубликовал обширное исследование «Методы выделения цинка из его природного минерала каламина». Он также показал, что свинцовые руды из Раммельсберга (Германия) содержат цинк и что цинк можно также получить из сфалерита — природного сульфида цинка.

Название «цинк» происходит от латинского слова, обозначающего бельмо или белый налет. Ряд других исследователей сопоставляют название «цинк» с немецким словом цинн — олово.

ГЛАВА III.

ЭЛЕМЕНТЫ ВОЗДУХА И ВОДЫ

В этой главе мы расскажем о трех элементарных газах: водороде, азоте и кислороде, открытие которых стало важнейшим событием в химии второй половины XVIII в. Из азота и кислорода состоит практически вся земная атмосфера (остальные газы — малая примесь). Водород и кислород образуют одно из самых удивительных соединений — воду. Все три элемента вместе с углеродом являются органогенами; они входят в состав всех животных и растительных организмов без исключения.

Открытия водорода, азота и кислорода, когда они были правильно поняты, сыграли исключительно важную роль в развитии химии, так как способствовали появлению многих современных химических понятий и представлений. Вот лишь краткий перечень достижений, прямо связанных с обнаружением этих газов: разработка кислородной теории горения (А. Лавуазье); возникновение атомистической теории (Дж. Дальтон); появление теории кислот и оснований; использование кислородной и водородной шкал атомных весов (масс); представление о водороде как о первичной материи, из которой образовались все прочие элементы (В. Праут).

В истории элементов открытия водорода, азота и кислорода занимают особое положение. Понимание их истинной природы явилось сложным, противоречивым, растянутым во времени процессом. Обнаруживая при химических операциях новые газообразные продукты — будущие водород, азот, кислород, ученые еще не знали, что имеют дело с новыми химическими элементами.

С давних времен был известен лишь один вид газа — воздух, и был он предметом физических исследований. В сферу интересов химии воздух не включался. А те газообразные продукты, которые образовывались в различных процессах, например при брожении или гниении, ученые считали разновидностями воздуха. Само понятие «газ» появилось только в начале XVII в. Его ввел знаменитый естествоиспытатель И. Ван-Гельмонт. Он производил его от греческого слова, означающего хаос. Однажды И. Ван-Гельмонт сжег 62 фунта древесины, из которых получил только 1 фунт золы. Во что же превратилось остальное? В «лесной дух», считал Ван-Гельмонт. Этот дух, который прежде был неизвестен, я называю новым именем — газ, написал ученый. Теперь мы знаем, что он имел дело с углекислым газом, который спустя 100 с лишним лет был снова получен английским физиком Дж. Блеком. Но И. Ван-Гельмонт не понял сути своего открытия. Только разновидность воздуха видел он в «лесном духе».

Стало быть, мы не имеем права применять по отношению к элементам воздуха и воды термин «открытие нового элемента» (в том смысле, как это стало возможным позже). Но, с другой стороны, открытия водорода, азота и кислорода существенно отличаются от тех совершенно случайных открытий, которые происходили в донаучный период развития химии. Во-первых, потому, что в XVIII в. существовала вполне определенная теоретическая концепция, получившая название флогистонной теории. Во-вторых, потому, что во многом благодаря И. Ван-Гельмонту газообразное состояние материи стало, наконец, объектом химических исследований, и здесь родилось новое направление химической науки — пневматическая химия. Она разработала свои методы исследования и необходимую экспериментальную аппаратуру. Иными словами, к открытию элементарных газов привели целенаправленные экспериментальные исследования, опиравшиеся на теоретические представления. И прежде чем приступить к рассказу об этих открытиях, нам придется остановиться на теории флогистона и пневматической химии.

По своему содержанию теория флогистона была очень проста, а потому и казалась убедительной. Ее название происходит от греческого слова флогистос, обозначающего «воспламеняющийся». Для чего она была нужна? Для объяснения процессов, протекающих при горении, обжиге металлов и дыхании. Суть их была непонятна. Вот и возникла идея о существовании материи, которая как бы является главным действующим лицом во всех упомянутых процессах, — появилась идея о флогистоне.

Хотя мысли о «горючей материи» в той или иной форме высказывались несколькими учеными, подлинным основателем концепции флогистона считается немецкий химик и врач Г. Шталь. Вот как рассуждал этот исследователь. Тела могут гореть только благодаря наличию в них флогистона. Чем больше флогистона содержит данное тело, тем активнее оно сгорает. Уголь — вот пример вещества, состоящего почти из одного флогистона. При обжиге металлов они превращаются в «извести» (земли) вследствие потери флогистона. Если к прокаленному металлу добавить флогистон, снова получится чистый металл. Хороший пример тому — прокаливание металлической окалины с углем. Процесс, хорошо известный даже древним металлургам.

На языке представлений современной химии все это означает следующее: в ходе реакции окисления (например, образование оксида при обжиге металла) флогистон теряется; при реакции восстановления (прокаливание оксида металла с углем) флогистон, напротив, приобретается. Все очень просто и очень наглядно. Но даже начинающему химику в наше время видно, что теория флогистона ошибочна. Ведь из нее следовало, что вес вещества при горении должен уменьшаться, а не увеличиваться; оксид металла должен быть легче самого металла. Если принять концепцию флогистона, то металлы надо рассматривать как сложные вещества (металл+флогистон), а их оксиды (земли) — как простые (металл–флогистон).

И тем не менее теория флогистона просуществовала в науке около столетия, и ее ревностно исповедовали крупнейшие химики того времени, в том числе Г. Кавендиш, Дж. Пристли и К. Шееле, с именами которых и связаны открытия элементов воздуха и воды. На начальных стадиях этих открытий представления теории флогистона сыграли существенную роль.

Пробудившийся у химиков интерес к изучению газов способствовал возникновению пневматической химии, и это был второй логически неизбежный шаг к ознакомлению с будущими водородом, азотом и кислородом. Изучение газов долго затруднялось тем, что не было удобных методов их получения, собирания и, наконец, исследования их свойств. Мочевой пузырь животных служил едва ли не единственным экспериментальным прибором — емкостью, куда можно было собирать выделяющиеся газы и взвешивать их. Познавать газ оказалось значительно труднее, чем изучать твердые и жидкие вещества.

В начале XVIII в. английский ученый С. Гейлс изобрел пневматическую ванну. В этом аппарате сосуд, где образовывался газ (реторта с реакционной смесью), был отделен от приемника, где выделяющийся газ собирался. Роль приемника выполняла перевернутая колба, заполненная водой. Проникая в нее, пузырьки газа вытесняли воду, и колба заполнялась исследуемым газом.

Пневматической ванной воспользовался другой английский ученый Дж. Блэк (один из основателей пневматической химии). Он изучал вещества, давным-давно известные, — известь и белую магнезию (карбонаты кальция и магния). При обжиге и действии кислот из них выделялся газ. Теперь легко сообразить, что это был тот самый «лесной дух», который получал И. Ван-Гельмонт, сжигая древесный уголь. Но И. Ван-Гельмонт не пошел дальше констатации факта и туманных рассуждений. Дж. Блэк же заметно продвинулся вперед. Он обратил внимание на то, что образующиеся (после обжига или действия кислот) вещества могут быть вновь переведены в исходное состояние.

Современный химик прокомментирует достижение Дж. Блэка следующим образом: ученый провел прямую реакцию (разложил карбонаты на оксиды и углекислый газ) и осуществил обратную реакцию (присоединил углекислый газ к оксидам, получив исходный продукт). Масса исходных продуктов полностью восстанавливалась, и тем самым Дж. Блэк сделал то, чего ранее никому не удавалось.

Он взвесил газ в связанном состоянии. Этот газ он назвал связанным или фиксируемым воздухом. Газ выделялся в процессах брожения, при горении древесного угля, но не поддерживал дыхания и горения. И являлся, согласно Дж. Блэку, самостоятельной составной частью атмосферного воздуха.

Так, в 1754 г. под названием «фиксируемого воздуха» был открыт углекислый газ, и событие это сыграло огромную роль для последующего обнаружения других газов прежде всего потому, что после неизбежных споров и дискуссий ученые стали рассматривать его не как разновидность воздуха, а как самостоятельное вещество, отличное от воздуха, притом содержащееся во многих твердых телах. И поскольку при присоединении углекислого газа к оксидам масса образующегося продукта превышала массу исходного, подрывался основной принцип флогистонной теории. Прошло немало времени, прежде чем удалось это осознать. Флогистонная теория долгое время оставалась по сути дела единственным компасом для объяснения многих наблюдений пневматической химии.

ВОДОРОД

Это один из самых удивительных элементов периодической системы — первый ее представитель, наиболее легкий из существующих газов. Элемент, открытие которого стало ключом к решению многих проблем химической теории. Элемент, атом которого, теряя единственный валентный электрон, становится «голым» протоном. И потому химия водорода — это единственная в своем роде химия элементарной частицы.

Когда-то Д. И. Менделеев назвал водород наиболее типическим из типических элементов (к ним он относил элементы коротких периодов системы): ведь именно водородом начинается естественный ряд химических элементов.

И такой удивительный элемент легкодоступен: в любой школьной лаборатории получить его не составляет труда, например, подействовав соляной кислотой на цинковые стружки.

Еще в те далекие времена, когда химия не была наукой, когда алхимики колдовали над философским камнем, тогда уже были известны такие кислоты, как соляная, серная и азотная, и были известны некоторые металлы, такие, как железо и цинк. Иными словами, в человеческих руках находились все те компоненты, взаимодействие которых порождает водород. Нужен был лишь случай. И таких случаев бывало немало в XVI–XVIII вв. И это лишь те, которые описаны в химической литературе. Много раз исследователи наблюдали, как при действии, скажем, серной кислоты на железные стружки образовывались пузырьки газа — разновидность воздуха, которая воспламеняется.

Среди тех, кому удалось наблюдать выделение загадочной разновидности воздуха, был наш великий соотечественник М. В. Ломоносов. В 1745 г. он написал диссертацию под названием «О металлическом блеске». В ней находим следующие слова: «При растворении какого-либо неблагородного металла, особенно железа, в кислотных спиртах из отверстия склянки вырывается горючий пар…»[3]. (Кислотными спиртами по терминологии тех времен назывались кислоты.) А стало быть, не что иное, как водород, наблюдал М. В. Ломоносов. Но если мы продолжим фразу, оборванную отточием, то прочтем: «…который представляет собой… флогистон». Растворяясь в кислоте, металл исчезал. При этом он выделял горючее начало, горючий пар. Очень удобный повод предположить, что в ходе растворения металл теряет флогистон: все хорошо укладывается в рамки флогистонной теории.

Здесь в нашем повествовании впервые появляется замечательный английский ученый Г. Кавендиш, человек, фанатически преданный науке, великолепный экспериментатор. Г. Кавендиш никогда не торопился с опубликованием результатов своих работ, и порой проходило несколько лет, прежде чем появлялись его статьи. Поэтому трудно назвать точную дату, когда ученый наблюдал и описал выделение горючего воздуха. Известно лишь, что эта работа, проведенная в русле пневматической химии, называлась «Опыты с искусственным воздухом» и была опубликована в 1766 г. Можно также предполагать, что она была сделана под влиянием Дж. Блэка. Г. Кавендиш заинтересовался фиксируемым воздухом и решил проверить, не существуют ли и другие виды искусственного воздуха. Так ученый именовал разновидность воздуха, содержащегося в веществах в связанном состоянии, которые можно выделить из них искусственным путем. О том, что горючий воздух не раз наблюдали, Г. Кавендиш знал. Он сам получал его тем же методом действием серной и соляной кислот на железо, цинк и олово, но, пожалуй, первым убедился окончательно, что во всех случаях образуется один и тот же вид воздуха — все тот же горючий воздух. И первым среди исследователей Г. Кавендиш пришел к идее о самобытности горючего воздуха. Как флогистик, Г. Кавендиш мог лишь однозначно толковать его природу. Вслед за М. В. Ломоносовым он счел будущий водород флогистоном. Изучая и описывая свойства горючего воздуха, он полагал, что исследует свойства флогистона. Г. Кавендиш считал далее, что разные металлы содержат горючий воздух в различных пропорциях. Итак, к фиксируемому воздуху Дж. Блэка добавился горючий воздух Г. Кавендиша. Если взглянуть на вещи строже, то оба эти ученых не открыли чего-нибудь нового. Каждый из них подвел определенные итоги предшествующим наблюдениям. Но эти итоги представляли собой существенные шаги в развитии человеческого познания.

Связанный и горючий воздух отличались от обычного воздуха и друг от друга. Горючий воздух поражал своей легкостью. Как убедился Г. Кавендиш, выделенный им флогистон имел массу. Ученый первым ввел количественную величину для характеристики различных газов — плотность. Приняв за единицу плотность воздуха, Г. Кавендиш получил для горючего воздуха 0,09 (для связанного 1,57). Но тем самым Г. Кавендиш-экспериментатор вступил в противоречие с Г. Кавендишем-флогистиком. Раз горючий воздух имел положительную массу, то его никак нельзя было считать чистым флогистоном. Иначе металлы, теряя горючий воздух, должны были терять и в массе. Спасая положение, Г. Кавендиш выдвинул своеобразную гипотезу: горючий воздух есть соединение флогистона с водой. И смысл в ней был лишь тот, как оказалось потом, что наконец-то в составе горючего воздуха появился водород.

Отсюда следует для нас вполне очевидный вывод: как и его предшественники, Г. Кавендиш не понял природы горючего воздуха, хотя и взвесил его, и описал его свойства, и считал самостоятельным видом искусственного воздуха. Словом, Г. Кавендиш, сам того не подозревая, изучал свой «флогистон» так, как если бы он изучал новый химический элемент. Но Г. Кавендишу и в голову не приходило, что горючий воздух является газообразным химическим элементом, — слишком прочными оказывались путы флогистонной концепции. И даже убедившись, что реальные свойства горючего воздуха противоречат последней, он прибегал к помощи спасительной гипотезы, столь же ложной.

Поэтому, строго говоря, фраза «водород был открыт в 1766 г. английским ученым Г. Кавендишем» является бессодержательной. Г. Кавендиш лишь более детально и с большим пониманием описал процессы получения и свойства горючего воздуха по сравнению со своими предшественниками. Однако он «не ведал, что сотворил». Элементарная природа горючего воздуха осталась за рамками его понимания. Но то не была вина Г. Кавендиша: химия просто еще не созрела для подобного понимания. Понадобились еще годы, прежде чем водород, наконец, стал водородом и обрел свое истинное значение в химии.

Свое латинское название гидрогениум водород получил от греческих слов гидр и геннао, означающих «рождаю воду». Его предложил в 1779 г. А. Лавуазье после того, как был установлен состав воды. Символ Н был предложен И. Берцелиусом.