Как открывались химические элементы и создавалась Периодическая система
Металл — «пожиратель олова»
Слово «вольфрам» существовало задолго до открытия этого металла. Еще немецкий врач и металлург Георгиус Агрикола (1494—1555) называл вольфрамом некоторые минералы. Слово «вольфрам» имело много оттенков значения; оно, в частности, означало и «волчью слюну» и «волчью пену», т. е. пену у пасти разъяренного волка. Металлурги XIV—XVI вв. заметили, что при выплавке олова примесь какого-то минерала вызывает значительные потери металла, переводя его в «пену» — в шлак. Вредной примесью был минерал вольфрамит (Mn, Fe)WO4, похожий внешне на оловянную руду — касситерит (диоксид олова SnO2). Средневековые металлурги называли вольфрамит «вольфрамом» и говорили, что он «похищает олово и пожирает его, как волк овцу».
Впервые вольфрам получили испанские химики братья де Элуяр в 1783 г. Еще раньше — в 1781 г. — шведский химик Шееле выделил триоксид вольфрама WO3 из минерала состава CaWO4, впоследствии получившего название «шеелит». Поэтому одно время вольфрам называли шеелием.
В Англии, США и Франции вольфрам именуют иначе - тунгстен, что означает в переводе со шведского «тяжелый камень». В России в XIX в. вольфрам называли волчец. Температура плавления вольфрама примерно 3400° С.
«Парадоксальное золото»
В XVIII в. в Трансильвании (Румыния) и Тироле (Германия) нашли новую золотосодержащую руду серого цвета, названную «белым», или «парадоксальным золотом». В 1782 г. горный инженер и директор горных приисков Ференц-Иожеф Мюллер (1740—1825) исследовал эту руду и выделил из нее хрупкое, похожее на сурьму серебристо-белое вещество с металлическим блеском, которое, как он полагал, было новым неизвестным металлом. Чтобы удостовериться в своем открытии, он послал пробу металла шведскому химику-аналитику Бергману, который был в это время тяжело болен. Тем не менее Бергман провел анализ присланного образца и успел только установить, что он отличается по химическим свойствам от сурьмы. После смерти Бергмана никто новым металлом не заинтересовался; став бароном фон Рейхенштейном, забыл о нем и его первооткрыватель.
В 1786 г. венгерский профессор химии Китаибель, не зная ничего об исследованиях Мюллера и Бергмана, снова выделил из аналогичной руды золото и какой-то новый металл. Свои исследования он не опубликовал, но о них каким-то образом узнал немецкий химик-аналитик Клапрот. Он провел обстоятельные исследования «парадоксального золота» и в 1798 г. выступил с сообщением перед Берлинской академией наук об открытии им нового элемента теллура Те, названного так в честь нашей планеты Земли. «Теллус» — латинское название древнеримской богини, матери Земли. «Парадоксальное» же золото оказалось теллуридом золота АuТе2.
«Серебро» из глины
«Профессор, я получил его!» — с таким криком вбежал к американскому химику Иветту в 1886 г. молодой инженер Холл, держа на протянутой ладони двенадцать маленьких шариков алюминия — первого алюминия, полученного электрохимическим методом.
Приоритет открытия алюминия Аl, который одно время называли «серебром из глины», принадлежит датскому физику Гансу-Христиану Эрстеду (1777—1851), известному больше своими работами по электромагнетизму. Чтобы получить алюминий, Эрстед нагревал безводный хлорид алюминия с амальгамой натрия (раствором натрия в ртути):
AlCl3 + 3Na(Hg) = А1 + 3NaCl + Hg.
Продукты реакции он обработал водой для растворения хлорида натрия NaCl, а из остатка, содержащего амальгаму алюминия, удалил нагреванием ртуть. Так в 1825 г, впервые был получен алюминий. Название «алюминиум» дал новому металлу английский химик Дэви. «Алюмен» в переводе с латинского языка означает квасцы — сульфат калия-алюминия, — известные с давних времен и имеющие состав KA1(SO4)2∙12H2O.
В 1827 г. немецкому химику Вёлеру также удалось выделить алюминий, используя реакцию восстановления гексафтороалюмината натрия металлическим калием:
Na3[AlF6] + 3К = Аl + 3NaF + 3KF.
Алюминий в этом случае легко отделяется от фторидов калия KF и натрия NaF, хорошо растворимых в воде. Все это были лабораторные способы получения очень небольших количеств алюминия.
В 1845 г. два химика независимо друг от друга - немец Бунзен и француз Анри-Этьен Сент-Клер-Девилль (1818—1881) — разработали первый промышленный метод получения алюминия, основанный на восстановлении расплава тетрахлороалюмината натрия Na[AlCl4] натрием:
Na[AlCl4] + 3Na = Al + 4NaCl.
На Парижской всемирной выставке в 1855 г. демонстрировалось «серебро Девилля» — слиток алюминия ценой 2400 марок за 1 кг. Алюминий стоил дороже, чем золото и серебро.
Наполеон III (племянник Наполеона I), узнав об алюминии, задумал снабдить своих солдат нагрудниками и касками, сделанными из этого металла. По его приказу Сен-Клер-Девиллю были выделены большие средства для получения нужного количества алюминия. Однако Наполеону III пришлось ограничить свое желание изготовлением алюминиевых кирас только для небольшой группы его личной охраны. Способ Сен-Клер-Девилля все еще имел лабораторные масштабы.
Современный промышленный метод получения алюминия, основанный на электролизе расплава Na3[AlF6], был разработан молодыми инженерами французом Полем Эру (1863-1914) и американцем Чарльзом Холлом (1863—1914). Они почти одновременно выяснили, что метагидроксид алюминия AlO(ОН) хорошо растворяется в расплаве Na3[AlF6]. Расплав такого состава оказался наилучшим электролитом для электрохимического получения алюминия, и он используется до сих пор на всех алюминиевых заводах.
В России в XIX в. алюминий называли по-разному: глинистость, глиний, глинозем, квасец, алумий. К началу XX в. осталось только одно название — алюминий.
Странное объявление Вулластона. Фиаско химика Ченевикса
В 1803 г. в одной из лондонских газет появилось странное объявление, сообщавшее, что в магазине торговца минералами Форстера можно приобрести новый металл палладий, о котором еще не слышал ни один химик мира. Химик Ричард Ченевикс купил небольшой слиток этого металла с тем, чтобы после его анализа публично высмеять анонимного лжехимика, якобы открывшего новый металл. Ченевикс вскоре всем сообщил, что палладий не новый химический элемент, а всего-навсего сплав платины Pt с ртутью Hg. Однако другие химики-аналитики в металле, купленном у Форстера, не обнаружили ни платины, ни ртути. Уязвленный Ченевикс, оправдываясь, утверждал, что в сплаве платина настолько прочно связана с ртутью, что их разделить практически невозможно.
Но в 1804 г. на заседании Лондонского королевского общества его секретарь, а затем и президент, известный химик и врач Уильям-Хайд Вулластон (1766—1828) сообщил, что при анализе платины он обнаружил в ней новый химический элемент, названный им палладием Pd по имени недавно открытого в Солнечной системе астероида Паллада. Вулластон признался, что это он получил новый металл и предложил его Форстеру для продажи, с тем чтобы проверить, как химики отнесутся к его открытию и сумеют ли его подтвердить. После этого заявления Вулластона потрясенный неудачей Ченевикс забросил всякие занятия химией.
Палладий обладает удивительной способностью растворять водород Н2. Водный раствор хлорида палладия PdCl2 при действии монооксида углерода CO выделяет мелкодисперсный палладий:
PdCl2 + СО + Н2О = Pd + СО2 + 2НС1.
Один из лантаноидов
Химический элемент самарий, символ Sm, открыл в 1879 г. французский химик Лекокк де Буабодран в уральском минерале самарските при помощи спектрального анализа по двум новым голубым линиям в спектре, имеющим длину волны 442 и 443 нм. Он назвал новый элемент самарием, чтобы все помнили минерал, в котором он был обнаружен. Минерал же самарскит нашел русский горный инженер Василий Ефграфович Самарский в Ильменских горах Южного Урала. Минерал красивого бархатно-черного цвета имеет сложный состав, радиоактивен, содержит до 17% урана. Минерал назвали в честь Самарского, так что можно считать, что не только минерал, но и элемент самарий носят фамилию Самарского.
Трудный путь к прометию
Прометий Рm, элемент № 61, относится к семейству лантаноидов. Попытки найти его в природе предпринимались неоднократно. В 1926 г. американские физики Гаррис, Гонкинс и Инкма осуществили, как им показалось, выделение соли этого элемента из соединений неодима Nd и самария Sm. Они дали своему элементу название иллиний. В этом же году итальянские химики Ролла и Брунетти попытались после 3000 перекристаллизации солей неодима и празеодима Рr получить чистое соединение элемента № 61. Они были настолько уверены в своих результатах, что назвали этот элемент флоренцием. Однако иллиний и флоренций оказались ложно открытыми элементами.
К 1938 г. стало ясным, что элемент № 61 является радиоактивным и в природе его найти трудно. В этом году американские физики Пул и Квилл решили синтезировать атомы элемента № 61 при помощи бомбардировки пластинки из неодима или самария атомами дейтерия. Они поддались самообману и решили, что ими действительно получены атомы нового элемента, который они поспешили назвать циклонием. Это название элемента № 61 сохранилось в химической литературе до 1951 г.
Элемент № 61 удалось открыть только в 1947 г. американским радиохимикам Джейкобу Маринскому (р. 1918 г.), Лоренсу Гленденину (р. 1918 г.) и Чарльзу Кориэллу (р. 1920). Они выделили его изотопы из продуктов деления урана. Жена Кориэлла предложила назвать новый элемент прометием, но имени Прометея — мифического героя Древней Греции. В 1948 г. Маринскому и его коллегам удалось получить 3 мг прометия.
Первооткрыватели прометия так объясняли его название: «Это название не только символизирует драматический путь получения нового элемента в заметных количествах в результате овладения людьми энергией ядерного деления, но и предостерегает человечество от грозящей опасности — стервятников войны».
В честь планеты уран
В серебряных копях чешских Рудных гор часто встречались тяжелые камни со смоляным блеском. Ни серебра, ни свинца выплавить из этих камней не удавалось. Поэтому они получили название смоляной обманки.
Это был радиоактивный минерал, названный впоследствии урановой смоляной рудой, урановой смолкой. Он содержал октаоксид триурана U3O8. В 1789 г. немецкий химик Клапрот при восстановлении минерала углем получил черную спекшуюся массу с вкраплениями в нее маленьких крупинок, похожих на металл. Он назвал эти крупинки ураном по имени недавно открытой планеты Уран и считал, что им открыт новый химический элемент. Клапрот умер, так и не узнав, что им получен не металл, а его диоксид UO2. Более тридцати лет диоксид урана принимали за металл. Только в 1841 г. французский химик-органик Эжен-Мелькьор Пелиго (1811—1890) получил металлический уран при восстановлении тетрахлорида урана UC14 калием К:
UC14 + 4K = U + 4KC1.
Взаимодействие нагретых UC14 и калия было столь бурным, что платиновый тигель, в котором протекала реакция, раскалился добела.
Уран оказался очень активным серебристо-белым металлом, легко окисляющимся на воздухе. Уже при незначительном нагревании он воспламеняется, выбрасывая искры, превращаясь при этом в U3O8.
В 1912 г. при раскопках древнеримских развалин близ Неаполя была обнаружена стеклянная мозаика бледно-зеленоватого цвета удивительной красоты. Анализ показал, что стекло радиоактивно и содержит уран. Очевидно, древние римляне были знакомы с минералами урана и пользовались ими для окраски стекла, ничего не зная о их радиоактивности.
За кем приоритет?
В 1957 г. Нобелевский институт физики в Стокгольме сообщил, что его сотрудники при помощи ядерной реакции
24496Cm + 136C = 253102Э + 2(10n)
с участием ядер кюрия Cm и углерода получили, как им показалось, новый элемент № 102. Шведские физики поспешили назвать этот элемент нобелием в честь Нобеля, основавшего фонд Нобелевских премий. Однако их открытие не подтвердили потом ни они сами, ни другие физики мира.
В 1963 г. советские физики из лаборатории ядерных реакций, возглавляемой академиком Георгием Николаевичем Флёровым (1913—1990), действительно получили элемент № 102 в ядерной реакции с участием урана-238 и неона-22 и назвали его жолиотием Jl в честь французского физика Фредерика Жолио-Кюри:
23892U + 2210Ne = 256102Jl + 4(10n).
Результаты советских физиков были подтверждены физиками других стран. От «нобелия», как потом говорили, остался только символ No, «ноу», означающий по-английски «нет». Однако зарубежные ученые название элемента менять не захотели. Более того, американский физик Гиорсо в письме Флёрову писал 21 марта 1967 г.: «В конце концов мы пришли к выводу, что простейшим решением проблемы названия элемента будет оставить эту проблему в покое».
В 1961 г. американские физики из Беркли сообщили о синтезе атомов элемента № 103 при помощи ядерной реакции с участием ядер калифорния Cf и бора В:
250-25298Cf + 10-115B = 257103Э + X(10n).
Реакция не отличалась определенностью, так как атомы Cf и В представляли разные изотопы и химическую идентификацию полученных ядер провести не удалось. Тем не менее американские физики широко оповестили весь мир о своем «открытии» и назвали элемент № 103 лоуренсием Lr. Советские физики опровергли довольно быстро это «открытие», что подтвердили повторные исследования самих американских физиков.
В 1965 г. группа физиков Флёрова действительно впервые синтезировала атомы элемента № 103 при помощи ядерной реакции:
24395Am + 188C = 256103Rf + 5(10n),
в которой атомы америция Am-243 подвергались бомбардировке атомами кислорода-18. Их результаты были подтверждены физиками других стран. Элемент № 103 группа физиков Флёрова назвала резерфордием Rf в честь английского физика Резерфорда. Поэтому авторы этой работы с полным правом считают себя первооткрывателями элемента № 103. Они справедливо настаивают на снятии с этого элемента американского названия «лоуренсий», на непризнании этого названия и использовании во всей технической и учебной литературе только одного названия — резерфордий.
Чем знаменит городок Иттербю?
В 1787 г. в заброшенном карьере городка Иттербю на маленьком острове Руслагене около Стокгольма лейтенант шведской армии Карл Аррениус нашел черный блестящий минерал, похожий на каменный уголь, и назвал его иттербитом. Финский химик Юхан Гадолин (1760—1852) обнаружил в этом минерале оксид нового химического элемента, названного впоследствии иттрием Y. После этого открытия минерал переименовали из «иттербита» в «гадолинит».
В 1843 г. шведский химик и хирург Карл-Густав Мосандер (1797—1858) установил, что оксид иттрия, выделенный из иттербита, не является чистым и содержит еще два оксида новых элементов — тербия Тb и эрбия Еr. Оба названия — также производные от «Иттербю».
В 1878 г. швейцарский химик де Мариньяк открыл в оксиде эрбия примесь нового химического элемента—иттербия Yb, название которого снова является производным от слова «Иттербю». Через год шведский химик Клеве в том же оксиде эрбия находит еще одну примесь — новый химический элемент тулий Тm. В этом же году в оксиде эрбия обнаруживают третью примесь еще одного нового элемента — скандия Sc, существование которого предсказал Менделеев и которому дал имя «экабор». Открытие Sc принадлежит шведскому химику Ларсу-Фредерику Нильсону (1840—1899). Свое название элемент получил в честь Скандинавии.
В 1907 г. в том же минерале иттербите французский химик Жорж Урбен (1872—1938), живописец, музыкант и скульптор, открывает еще один элемент — лютеций Lu. Свое название элемент получил уже в честь Парижа, старое латинское название которого «Лютеция».
Таким образом, в минерале иттербите-галодините были открыты Y, Тb, Еr, Yb, Sc, Tm и Lu. Городок Иттербю увековечен в названиях четырех химических элементов: иттрия, тербия, эрбия и иттербия.
Заблуждение великого химика
«...Я вовсе не склонен... признавать даже гипотетическую превращаемость элементов друг в друга и не вижу никакой возможности происхождения... радиоактивных веществ из урана».
(Менделеев)
Менделеев до конца своей жизни так и не признал возможность превращения одних элементов в другие в результате их радиоактивного распада, хотя ему были известны достоверные факты такого превращения, полученные его современниками.
Менделеев отверг и теорию электролитической диссоциации, и электронную теорию строения атома. Он всегда враждебно относился к попыткам связать область электрических явлений с областью химических явлений. Менделеев был твердо уверен в неизменяемости атомов и считал, что взаимопревращаемость элементов подрывает открытый им Периодический закон.
Менделеев велик, но его высказывания не догма, не истина в последней инстанции. Никто не застрахован от ошибок, не миновал их и Менделеев.
Синонемы ли термины «валентность» и «степень окисления»?
Некоторые химики часто путают два совершенно различных термина: валентность и степень окисления. Валентность — способность атома элемента образовывать в конкретном соединении определенное число химических связей с окружающими атомами. Количественной мерой валентности служит число ковалентных химических связей, образованных атомом. Степень же окисления атома элемента — формальный заряд, приобретаемый этим атомом в данном соединении в том случае, если бы все электронные пары его химических связей сместились в сторону более электроотрицательных атомов. В молекуле алгебраическая сумма степеней окисления атомов с учетом их числа равна нулю.
Например, в азотной кислоте HNO3 валентность атома азота равна четырем, а степень окисления — +V. Атом азота может выделить для образования связей с окружающими его атомами кислорода только три неспаренных электрона, находящихся на р-атомной орбитали, и одну неподеленную пару s-электронов. В молекуле монооксида углерода СО степень окисления атома углерода +II, а валентность равна трем — у атома углерода три химические связи с атомом кислорода.
Нуклид, нуклон, изотоп
К изотопам относят различные виды ядер одного и того же химического элемента — элемента с одним и тем же порядковым номером, — различающихся по числу нейтронов.
Нуклон — ядерная частица, двумя состояниями которой являются протон р+ и нейтрон n0, взаимодействующие в ядре между собой путем обмена π-мезонами, пионами, имеющими массу в 270 раз большую, чем масса электрона. Например, в атоме бора 105B десять нуклонов: пять протонов и пять нейтронов.
Нуклиды — ядра, различающиеся как по числу нейтронов, так и по числу протонов. Нуклиды — это конкретные виды ядер различных элементов. Нуклидом называют ядро изотопа свинца 20782Pb с 82 протонами и 125 нейтронами, ядро изотопа кислорода 168О с 8 протонами. Три различных ядра атома углерода 126С, 136С и 146C содержат 12, 13 и 14 нуклонов. Эти ядра называют изотопами, или изотопными нуклидами. Каждый изотоп есть нуклид, ядро атомов элемента с определенным числом нейтронов и протонов.
Единственный изотоп?
В природе насчитывается 21 элемент, у которых всего один стабильный изотоп. Такие элементы называют изотопно чистыми. Среди них бериллий Be, фтор F, натрий Na, алюминий А1, фосфор Р, иод I, золото Аu, висмут Bi, торий Th и др. Наибольшее число изотопов (десять) имеет элемент олово Sn.
Невидимая и неуловимая, но ощутимая частица
Все физики уверены в существовании самых элементарных частиц в ядрах атомов — кварков, находящихся внутри протонов, нейтронов и других частиц ядер. Выделить же кварки в свободном виде пока никак не удается, кварк остается неуловимым.
Кварки — универсальный «строительный материал» сильновзаимодействующих частиц ядра. Все окружающие нас вещества можно создать из трех «кирпичей»: электрона, кварка и антикварка, а в качестве «цемента» понадобятся еще три частицы, не имеющие массы, — фотон, глюон и гравитон. Фотоны привязывают электроны к ядру атома, глюоны склеивают кварк и антикварк в ядре, а гравитоны «цементируют» космические объекты: планеты, звезды и галактики.
Например, протон состоит из трех кварков. При взаимодействии двух любых кварков один из них испускает глюон, другой его поглощает. Кварки и глюоны несут особый «склеиватель» — цветовой заряд, не имеющий ничего общего с электрическим зарядом. Глюоны — удивительные частицы. Они обладают свойством самоликвидации и саморазмножения: глюон может испускать и поглощать глюоны.
Интересно, что действие глюонов на кварки увеличивается по мере их удаления от порождающих их кварков. Кварки связаны глюонами слабее всего, когда они находятся близко друг к другу. Если же кварки пытаются разойтись, то сразу же возрастает стягивающее их глюонное поле. Другими словами, кварки становятся свободными не вне протонов и нейтронов ядра, а наоборот, глубоко внутри этих частиц. Этим, видимо, и объясняется невозможность разделить кварки, выбить какой-либо из них из ядра атома.
Частица, проникающая сквозь землю и солнце
Такой частицей является нейтрино (символ υ, греч, буква «ню») — стабильная частица, не имеющая ни массы, ни заряда, обладающая скоростью света. Чтобы отличить ее от тяжелого нейтрона, также не имеющего заряда, итальянский физик Энрико Ферми (1901— 1954) назвал эту частицу «нейтрино» как нечто исчезающе малое, нейтральное.
При радиоактивном распаде ядер атомов выбрасываемый позитрон е+ всегда сопровождается нейтрино υе, а выбрасываемый электрон е- — двойником нейтрино, называемым антинейтрино υе. Антинейтрино отличается от нейтрино только характером своего движения — он вворачивается в направлении полета как штопор.
Появление нейтрино и антинейтрино из распадающихся ядер связано с ядерными реакциями:
n0 → p+ + e- + υе; p+ → n0 + e+ + υе.
Нейтрино и антинейтрино не содержатся в ядре, а образуются в момент вылета из него позитрона или электрона.
Вся земная кора за счет радиоактивного распада атомов излучает в секунду 2∙1026 антинейтрино, которые пронизывают Землю и живущих на ней людей, не причиняя им никакого вреда. Каждую секунду через человеческое тело пролетает 1750 антинейтрино. С веществом нейтрино и антинейтрино не взаимодействуют и поэтому в нем не задерживаются. На нашем Солнце в результате ядерного «горения» атомов водорода вместе с позитронами рождается в секунду 2∙1038 нейтрино, обрушивающихся на Землю. В любой части Вселенной существуют огромные потоки нейтрино и антинейтрино, есть и «нейтринные звезды».
•
•
Copyright © 2005 - 2007 Webmaster
