Открытие химических элементов

В тот период, когда благодаря системе Лавуазье определились понятия «элемент» и «соединение», было известно только около 20 элементов. В течение последующих 120 лет было открыто около 70 элементов. Поле деятельности химии расширилось во много раз, поскольку открытие элементов и их соединений предоставило многочисленные новые возможности для развития и теории, и практики.

Открытие химических элементов было тесно связано с достижениями аналитической химии. При этом важную роль сыграла модернизация лабораторного оборудования — посуды, системы сосудов, паяльных трубок, весов, спектроскопов и др.

В «Письмах о химии» Либих писал: «Без стекла, пробки, платины и каучука мы, может быть, находились бы еще и теперь на половине дороги. Во времена Лавуазье по причине дороговизны аппаратов только немногие и притом весьма богатые люди могли производить химические исследования». Либих превозносил «удивительные свойства стекла: прозрачное, твердое, бесцветное, неизменяющееся от влияния кислот и большинства жидкостей, стекло при известной температуре мягче и гибче воска и принимает в руках химика перед пламенем масляной лампы форму и вид всех приборов, необходимых ему для опытов». О пробке Либих писал: «Представьте себе мягкую, в высочайшей степени эластичную массу, которую сама природа напитала веществом, стоящим по свойствам своим между воском, салом и смолою… Посредством пробки мы соединяем узкие отверстия с широкими, а с помощью пробки и каучука приготовляем самые сложные стеклянные приборы, не имея притом надобности в меднике и механике, винтах и кранах. Приборы химика дешевы, точно так же как и скоро могут быть приготовлены и возобновлены».

Изобретение пневматической ванны с ртутью, используемой в качестве жидкого затвора, сыграло большую роль в развитии газового анализа и открытии четырех элементов (1766-1774 гг.).

В 1766 г. Г. Кавендиш открыл водород. При действии соляной и серной кислот на цинк, железо и олово он получил горючий газ, который не растворялся в воде, щелочах, аммиаке и был в 11 раз легче воздуха и в 9000 раз легче воды.

В 1772 г. Д. Резерфорд открыл азот. Он проводил анализы воздуха, оставшегося после сожжения в нем ряда веществ. В таком воздухе содержался диоксид углерода, который определялся по помутнению известковой воды. Оставшийся объем Резерфорд охарактеризовал как газ с поразительными свойствами: «Он душит пламя и дыхание». Кавендиш и Пристли примерно в то же время также обнаружили азот, но Резерфорд первым сообщил о своем открытии.

В 1774г. Д. Пристли открыл кислород. Направив пучок солнечных лучей на красный оксид ртути, помещенный в стеклянный сосуд с ртутным затвором, Пристли обнаружил выделение газа. Этот газ не растворялся в воде, а слабо тлеющая лучинка разгоралась в нем ярким пламенем. Одновременно кислород был открыт и Шееле, который описал его поразительные свойства, но опубликовал свои результаты несколько позже, чем Пристли.

В конце XVIII и начале XIX вв. было открыто около 15 элементов, причем большую роль в этих открытиях сыграло использование паяльной трубки, которая была введена в аналитическую практику в XVIII в. Паяльную трубку в анализе веществ широко применяли И. Крамер, И. Потт, А. Маргграф, а также шведские минералоги А. Кронштедт и Т. Бергман.

В 1779 г. Т. Бергман опубликовал книгу, в которой привел подробные сведения о пользовании паяльной трубкой. Преимуществами проведения анализа с помощью паяльной трубки Бергман считал, во-первых, использование лишь небольших количеств вещества и, во-вторых, отсутствие потребности в печах. Для анализа нужна была только свеча или лампа. В качестве флюса Бергман предлагал использовать натрий-аммонийфосфат, соду и буру. Основой (подложкой) служили древесный уголь, металлический тигель, серебряные и золотые пластинки.

Ученик Бергмана Ю. Ган, усовершенствовавший анализ с использованием паяльной трубки и передавший свои познания в этой области Берцелиусу, посвятил описанию методики этого анализа книгу, вышедшую в 1820 г. и переведенную на многие языки.

Совершенствование аналитических методов и приборов привело к открытию еще ряда элементов. В 1774 г. Ю. Ган открыл марганец; в 1781 г. при восстановлении молибденовой кислоты П. Гьельм получил молибден; в 1782 г. Ф. Мюллер Рейхенштейн в золотой руде (из Румынии) обнаружил теллур; в 1783 г. испанские химики братья Ф. и X. Д’Эльгуяр при восстановлении вольфрамовой кислоты углем выделили вольфрам; в 1789 г. М. Клапрот получил оксиды циркония и урана.

В 1791 г.- в корнуэллской железной руде английский пастор У. Грегор обнаружил оксид металла, который несколько позднее (1795 г.) был вновь открыт М. Клапротом и назван им оксидом титана; в 1825 г. Сефстрём и Берцелиус выделили из него металл. В 1794 г. финский химик Ю. Гадолин выделил из минерала иттербита иттриевую «землю»; в 1803 г. Берцелиус и Хизингер, а также независимо от них Клапрот открыли цериевую «землю». Эти «земли» оказались первыми среди ставших впоследствии известными «земель» многочисленных редкоземельных элементов. Правда, прошло еще почти 50 лет, прежде чем были найдены все встречающиеся в природе редкоземельные элементы.

Французскому ученому Л. Воклену принадлежит открытие хрома и оксида бериллия (1797 и 1798 гг.). Одновременно Клапрот тоже открыл хром. В 1828 г. Ф. Вёлер и А. Бюсси выделили бериллий в чистом виде. Ванадий был открыт в 1801 г. профессором минералогии из г. Мехико А. Дель Рио, но только в 1830 г. Й. Я. Берцелиус и Н. Сефстрём описали его свойства. В 1801 г. английский химик Ч. Хэтчет выделил элемент, названный впоследствии ниобием, но тогда Хэтчет назвал его колумбием, поскольку этот элемент содержался в месторождении из Америки, первооткрывателем которой был X. Колумб. Шведский химик А. Экеберг в 1802 г. открыл тантал, годом позже англичанин У. Уолластон — палладий и родий, а в 1804 г. его соотечественник С. Теннант — осмий и иридий.

Поскольку у нас нет возможности останавливаться подробно на каждом открытии, то расскажем коротко лишь об открытии палладия. Уолластон хотел растворить в азотной кислоте медь из платиновой руды, которая часто содержала помимо меди еще железо и золото; однако вопреки его ожиданиям раствор был окрашен не в голубой, а темно-коричневый цвет. Поэтому Уолластон пришел к выводу о существовании какого-то неизвестного элемента; используя в качестве восстановителя медь, он выделил из полученного раствора черный порошок, который растворялся в азотной кислоте. Этот порошок не мог быть ни золотом, ни платиной, поскольку оба они в азотной кислоте не растворялись. Смешав порошок с ртутью, Уолластон получил амальгаму, нагревание которой привело к образованию белого по­рошка с такой высокой температурой плавления, что его нельзя было расплавить с помощью паяльной трубки. Уолластон многократно повторял эти опыты, пока не убедился, что он открыл новый элемент.