Дмитрий Трифонов
Монумент, посвященный периодической системе элементов, перед зданием факультета химических и пищевых технологий Университета технологий (г. Братислава).
Источник: meta-synthesis.com
Пожалуй, большинство химиков (да и не только химиков) не затруднятся назвать число элементов, обнаруженных в природе и содержащихся в таблице Менделеева (не считая, конечно, трансуранов): 92. Многие скажут, что таблица начинается водородом, а заканчивается ураном. Но, конечно, мало кто назовет даты и авторов их открытий: водород открыл в 1766 году англичанин Г.Кавендиш, а уран в 1789-м немец М.Клапрот. Современных химиков, обремененных множеством забот и обязанностей, такие «мелочи» мало интересуют. А между тем, если угодно, статистика элементов – особая вспомогательная научная дисциплина. Она уточняет подробности того, как человек изучал мир. Каждый вновь открытый элемент волей-неволей расширял сферу человеческой деятельности и нередко вскоре находил практическое применение.
Химия истории
«Статистика химических элементов» должна искать ответы на много вопросов. Например, какова национальная принадлежность автора открытия и в какой стране был открыт данный элемент. Так, немец Карл Шееле почти всю жизнь прожил в Швеции, открыл там шесть элементов и даже удостоился памятника за свою деятельность. Или венгр Д.Хевеши основные свои результаты в области радиохимии получил, работая в Англии.
Иногда страны, где были сделаны открытия, не совпадают с названиями современных государств. Мы считаем целесообразным пользоваться наименованием стран того времени, когда были открыты те или иные элементы. Были случаи, когда один и тот же элемент открывали почти одновременно несколько ученых. Но приоритетных споров в этих историях открытия было немного.
Когда возникли понятия «элемент» и «химический элемент»? На сей счет нет однозначных объяснений. Вот какой вариант ответа предлагал величайший мыслитель древности Аристотель: «Элементом называется первооснова вещи, из которой она слагается и которая по виду неделима на другие виды...» Он полагал, что существует единая первичная материя, наделенная четырьмя основными свойствами: теплом, холодом, сыростью и сухостью. Сочетаясь друг с другом, они дают материальные «элементы»: огонь, воду, воздух и землю. А из них-то составлены все тела.
Учение Аристотеля просуществовало много столетий. Лишь в XVII веке произошла смена вех. Получили признание взгляды Роберта Бойля: отрицание представлений об элементах как носителях определенных качеств. Согласно Бойлю, они должны иметь материальную основу и быть составными частями твердых тел. Ученый не считал число элементов ограниченным. Тем самым снимался запрет к обнаружению новых элементов (простых тел) в природе. Но только в конце XVIII века Антуан Лоран Лавуазье четко сформулировал представление о простых телах и предположил, что все вещества, которые еще не подверглись разложению, являются элементами.
В историко-научной литературе принято выделять простые вещества, существующие в природе и издавна используемые человеком. Во-первых, так называемые элементы древности: углерод, сера, золото, серебро, медь, железо, свинец, олово, ртуть. Во-вторых, это элементы, открытые в Средние века: мышьяк, сурьма, висмут, цинк, фосфор. Открытия элементов, отнесенных к обеим группам, не могут быть датированы (кроме фосфора).
В поисках даты
Далеко не все согласятся с мнением, что главным элементом в природе и в жизнедеятельности человека оказывается углерод. Этот элемент является органогеном (вместе с водородом, азотом и кислородом), причем едва ли не главнейшим из них. Без него вообще невозможна жизнь. Да-да, именно без него, а не без кислорода: известно, что некоторые бактерии могут обходиться без кислорода...
Углерод – основа энергетики, электроники, а последнее время и нанотехники... Важнейшая составная часть каменных углей. Невзрачный черный камушек, который при специальной обработке может превратиться в блестящий алмаз. Но только в 1789 году Лавуазье в «Учебнике химии» удостоил углерод титула «простое тело». Наконец-то углерод сделался полноправным химическим элементом.
Своеобычностью отличается и фосфор. Первый элемент, для которого известны дата открытия (1669) и автор открытия (гамбургский купец Х.Брандт). Но примечательно и то, что обнаружен был фосфор в результате последовательных, многочисленных алхимических операций (Брандт много занимался алхимией). Исходным продуктом, из которого он был выделен, стала несколько раз перегнанная и сгущенная... человеческая моча. С последующей биографией фосфора связано много любопытных историй. До современных химических способов получения фосфора было еще очень далеко.
Существует неясность в отношении платины. Она, несомненно, относится к металлам древности, поскольку сведения о ее употреблении восходят к очень далеким временам. «Новый белый металл» был завезен в Европу из Америки итальянцем Скалигером. Более двух столетий изучался образец. Лишь в ноябре 1750 года англичанин У.Уотсон описал открытие нового полуметалла, названного «платино-ди-пинто». Процесс изучения продолжался еще долго, и потому нельзя сказать, какой год считать датой открытия платины.
Элементы-призраки
Открытие элементов в ряде случаев оказывалось стечением различных благоприятных обстоятельств. Большинство металлов первоначально извлекали в виде соединений, главным образом оксидов. Иногда проходило длительное время между выделением металла в форме соединения и получением его в чистом виде.
Последовательность открытия отдельных элементов не поддается строгой логике. Важную роль играли их специфические свойства. Например, соседи по периодической системе – кобальт и никель – были первыми открытыми металлами (В.Брандт, 1735; А.Кронштедт, 1751).
Принципиально новая эпоха в истории элементов наступила после открытия явления радиоактивности. Были открыты полоний и радий (Пьер и Мария Кюри, 1898). Затем в 1900-х годах были идентифицированы радон, актиний, протактиний. Но по-прежнему в таблице пустовали клетки № 85 и № 87. Франций (№ 87) обнаружен среди продуктов радиоактивных семейств в 1939 году (М.Перей), тогда как астат (№ 85) был получен путем ядерного синтеза (Э.Сегре, Д.Корсон, Э.Маккензи, 1940).
Элементы 43 (технеций) и 61 (прометий) никак не могли занять место в периодической системе. Первоначально элемент 43 обнаружили Э.Сегре и К.Перрье в образце молибдена, облученном дейтронами (1937). Элемент 61 извлекли из смеси осколков деления урана в 1945 году (Д.Маринский, Л.Гленденин и Ч.Кориэлл). Спустя много лет следы этих элементов-призраков удалось отыскать в природе (технеций – 1961, прометий – 1968). Таким образом, по чисто формальным признакам прометий можно считать элементом, завершившим построение «дотрансурановой» таблицы Менделеева.
 Разные варианты таблицы химических элементов изобретают до сих пор. На рисунке: периодическая система в виде тороидальной магнитосферы; автор Рафаэль Позас. Источник: meta-synthesis.com |
Что знает статистика?
В открытии 70 стабильных элементов в природе участвовали примерно 50 человек. Первое место в этом списке принадлежит К.Шееле (шесть элементов: фтор, хлор, марганец, молибден, барий и вольфрам). Второе место занимает У.Рамзай (благородные газы: аргон, гелий, неон, криптон и ксенон). По четыре элемента открыли И.Берцелиус (церий, селен, кремний и торий), Г.Дэви (калий, кальций, натрий и магний) и П.Лекок де Буабодран (галлий, самарий, гадолиний и диспрозий). Трем элементам дали жизнь М.Клапрот (титан, цирконий и уран) и К.Мосандер (лантан, тербий и эрбий). По два новых элемента числятся за Л.Вокленом (бериллий и хром), У.Волластоном (родий и палладий), Р.Бунзеном и Г.Кирхгофом (рубидий и цезий), К.Ауэр фон Вельсбахом (празеодим и неодим), П.Клеве (гольмий и тулий) и С.Теннантом (осмий и иридий). Что касается выделения природных радиоактивных элементов, то здесь первенство остается за Марией и Пьером Кюри, извлекшими из урановых минералов полоний и радий.
Как распределялись открытия элементов по различным странам?
Здесь на первом месте Швеция. Ее учеными было обнаружено 22 химических элемента: кобальт (1735), никель (1751), фтор (1771), хлор, марганец, барий (1774), молибден (1778), вольфрам (1781), иттрий (1794), тантал (1802), церий (1803), литий и селен (1817), кремний (1823), торий (1828), ванадий (1830), лантан (1839), тербий и эрбий (1843), скандий, гольмий и тулий (1879).
Такое изобилие не случайно. Бурное развитие металлургии в Швеции XVII веке нуждалось в новых месторождениях железных руд. Попутно, а часто и независимо в них обнаруживались новые минералы, содержавшие во многих случаях неизвестные ранее элементы. Кроме того, необходим был высокий уровень химико-аналитических исследований, которые достигли в Швеции высокого уровня. Так что отнюдь не случайно практические потребности закрепили за страной первенство в открытии химических элементов.
20 элементов числятся за английскими учеными: водород (1766), азот (1772), кислород (1774), стронций (1787), ниобий (1801), палладий (1803), родий, осмий и иридий (1804), натрий и калий (1807), магний и кальций (1808), таллий (1861), аргон (1894), гелий (1895), неон, криптон, ксенон (1898), радон (1900). Подобный набор новых элементов связан со специфичностью научных исследований в этой стране.
В Англии, на родине пневматической химии, были обнаружены элементарные газы атмосферы: водород, азот и кислород. Сто с лишним лет спустя в стране сложилась благоприятная ситуация для открытия благородных газов. В начале XIX века развитие электрохимии способствовало получению в свободном виде натрия, калия, магния и кальция. Исследования сырой платины, которая завозилась в больших количествах, способствовали открытию четырех платиновых металлов.
Ученые Франции занимают третье место (15 открытых элементов): хром (1797), бериллий (1798), бор (1808), йод (1811), бром (1826), галлий (1875), самарий (1879), гадолиний и диспрозий (1886), радий и полоний (1898), актиний (1899), европий (1901), лютеций (1907), франций (1939).
Немудрено, что колыбель радиоактивности первенствовала и в открытии радиоактивных элементов. Крупный специалист в области спектрального анализа Лекок де Буабодран с помощью этого метода констатировал существование четырех новых элементов: галлия (кстати, предсказанного Дмитрием Менделеевым) и трех «редких земель» – самария, гадолиния и диспрозия.
«Сумрачный германский гений» подарил миру «всего» девять элементов. Но зато какие это элементы! Уран (Клапрот, 1789) – (no comment!); цирконий и титан – важнейшие стратегические материалы (Клапрот, 1795); цезий и рубидий (1860–1861) – первые элементы, открытые с помощью спектрального анализа; германий (Винклер, 1886) – основа полупроводниковой техники; индий (Рейх, Рихтер, 1863), а также радиоактивный элемент протактиний (1918) и рений (начало 1927).
Три обстоятельства помогли этим открытиям: блестящее мастерство химика-аналитика (титан, цирконий и уран), разработка метода оптического спектрального анализа (цезий, рубидий и индий) и развитие рентгеноспектральных исследований (рений).
Три элемента – теллур (1782), празеодим и неодим (Ауэр фон Вельсбах, 1885) – были найдены в Австрии; два в Дании – алюминий (Эрстед, 1825) и гафний (Костер и Хевеши, 1923). Редкоземельный элемент иттербий открыл швейцарский химик Ш.Мариньяк (1878).
В России также был открыт один-единственный элемент – рутений (Клаус, 1844). Это обстоятельство стало следствием того, что Россия оказалась очень богатой платиной и платиновые руды подвергались интенсивному исследованию.
Нет ничего удивительного в том, что подавляющее число элементов, существующих в природе, были обнаружены учеными четырех стран: Англии, Франции, Германии и Швеции, где химия находилась на очень высоком уровне развития.
Ложные и гипотетические
Представленная «статистическая история» открытия элементов, обнаруженных в природе, так сказать, в самом сжатом очерке отнюдь не претендует на какие-либо серьезные обобщения. Она лишь фиксирует главным образом даты открытий, распределенные по определенным рубрикам. К сожалению, до сих пор не создано фундаментальное описание биографий химических элементов, найденных в природе.
Но существует и другая история. Это история ложных открытий элементов в природных объектах. Таких лжеоткрытий гораздо больше, чем открытий истинных, реальных элементов. В 1900 году Чарльз Баскервиль насчитал примерно 250 подобных «ошибок». С тех пор минуло более столетия, и число «промахов», разумеется, увеличилось.
Предварительный анализ показывает, что ошибки возникали чаще всего при изучении редкоземельных элементов, платиновых руд и различных минералов сложного состава. Много ложных открытий связано с поисками элементов № 43, 61, 85, 87. Немногие из ложно открытых элементов были все же обнаружены благодаря экспериментам, поставленным более или менее объективно, но, как правило, неверно истолкованным.
С другой стороны, небезынтересно, что в старой литературе можно было встретить названия так называемых гипотетических элементов. Их существование предполагалось для объяснения тех или иных процессов или констатировалось по косвенным признакам (короний, небулий, арконий, протофтор...). Сферами их существования могли быть только космические объекты. Никакого отношения к истории открытия действительных элементов они не имеют.
И уж подавно никому и никогда не удастся логичное и связное описание и анализ ложных открытий и их причин.
Дарья Гармоненко