Страница 3 из 68
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.