Элементы — простые вещества нашего материального мира

Три тысячи лет пытались ученые и философы свести весь материальный мир к нескольким простым веществам — элементам. Ведь так увлекательно было думать, что все многообразие природы обусловлено несколькими немногими «кирпичиками», быть может, одним-единственным первовеществом.
На пути к исходному философы древности увидели воду, затем воздух и, наконец, огонь как первооснову всех вещей. В 350 году до н. э. Аристотель расположил четыре элемента — огонь, землю, воздух и воду — в виде цикла, из которого выводились также свойства: тепло, сухость, холод и влажность. Все явления природы хотели объяснить действием этих элементов и их превращением друг в друга. Другие философы, например греки Левкипп и Демокрит, считали, что причиной всех превращений является соединение либо отщепление мельчайших частичек — атомов.
Еще до того как древнегреческие философы ломали голову над первоосновой материи, в Китае существовало учение о том, что имеются пять элементов, которые непрерывно движутся между Землей и Небом: вода, огонь, дерево, металл, земля. В начале нашей эры алхимия, возникшая на Востоке — в Индии, Китае и Японии, проникла в Европу. Когда в умах ученых начали господствовать мистически-религиозные представления о великом эликсире и философском камне, понятие «элемент» потеряло свою классическую простоту. Оно должно было уступить место весьма непонятному и запутанному определению.
В период раннего средневековья алхимики открыли несколько новых элементов: ртуть, серу, соль. К элементам причисляли и землю. По представлениям алхимиков, тяжелая жидкая ртуть олицетворяла металлическую сущность, сера — горючесть. Как соли, так и сере приписывали философское значение.
В настоящее время нас удивляет то, что средневековые философы Не причисляли к элементам такие вещества, как металлы — золото, серебро, железо, цинк, олово, медь. Последние были известны еще в древности, до нашей эры; некоторые из этих металлов уже выплавляли из руд для изготовления орудий труда, оружия и украшений.
Золото считалось у алхимиков сложным веществом, которое можно получить, например, из элемента ртути очисткой с помощью серы и философского камня. Однако такой «рецепт» был доступен не каждому… Аллегорические средневековые рисунки иллюстрируют это «сочетание» между серой — королем и ртутью — королевой.
Посланник небес, Гермес, в качестве покровителя алхимии добавляет к четырем цветкам (элементам), которые держат в руках король и королева, еще пятый — квинтэссенцию. Тогда «свадьба Гермеса» становится полной. Из серы и ртути возникают серебро (Луна) и золото (Солнце). Поэтому золото, по представлениям алхимиков, является чем-то составным. В те времена не признавали элементарный характер золота и других твердых металлов. Многие алхимики верили в то, что они могут превращать металлы друг в друга и неблагородные металлы — в благородные.
Однако средневековая химия вовсе не исчерпывалась погоней за тайнами алхимии. Мы должны быть ей, безусловно, благодарны за значительное развитие металлургических и технологических познаний и навыков. Путем терпеливых испытаний, внимательных наблюдений и сравнений неустанно совершенствовались процессы получения стекла и керамических изделий, а также добыча железа, меди, серебра, ртути, свинца, цинка из руд. Процессы дубления кожи и крашения тканей придавали химии средневековья производственный оттенок.
Самые «чистокровные» алхимики в своих фантастических экспериментах производили иногда ценные химические продукты: Кункель получил рубиновое стекло, Бетгер — европейский твердый фарфор, Бранд, проделывая свои перегонки, открыл фосфор. Мы обязаны работам алхимиков получением спирта и пороха, а также нашими познаниями о минеральных кислотах и щелочах.
Лейбниц сообщал о том, как химикус Хенниг Бранд случайно открыл фосфор в 1669 году: «В своих исследованиях Бранд столкнулся с уже описанной операцией, которая учит, как из мочи приготовить жидкость, которая способствует вызреванию кусков серебра до золота». При переработке мочи путем перегонки, работе, безусловно, малоприятной, алхимик вдруг получил нечто поразительное. Образовалось не золото, а неизвестное самосветящееся вещество, холодный огонь — фосфорус[22].
Английский художник Йозеф Райт из Дерби запечатлел это мгновение на своей картине, которую стоит описать… Под средневековыми монастырскими сводами находится лаборатория алхимика. Она заполнена полками, глиняными сосудами, посудой, химикалиями. Кругом лежат раскрытые алхимические писания. В середине помещения находится печь, сложенная из глиняных кирпичей; она соединена со стеклянными колбами. Все вместе представляет собой перегонную установку. В глубине два подмастерья в удивлении прервали работу. Алхимик упал на колени, преисполненный почитания, заклинающе протянув руку: в приборе для перегонки только что появились светящиеся пары, распространяющие неземной свет. Не это ли столь желанный философский камень, великий эликсир?
В XV и XVI веках алхимия все больше и больше теряет свое значение. В естествознании вырисовываются материалистические взгляды и воззрения, которые начинают освобождаться от оков религии и астрологии, от мистики, веры в демонов, духов и других суеверий. В начале XVI века Парацельс[23], хотя и подвластный некоторым мистическим представлениям, отверг философский камень и отнес его к области сказок. Истинной целью химии он считал не получение золота, а изготовление лекарств.

Химики-скептики

Через сто лет пробил час рождения химических элементов, ибо им было впервые дано научное определение в нашем сегодняшнем понимании. Немецкий ученый Иоахим Юнгиус в диссертации «Doxoscopiae Physicae Minores»[24], написанной в 1630 году и опубликованной в 1642 году[25], отбросил четыре элемента древности и три элемента алхимии, а также постулат о превращении металлов. Химические элементы, объявил он, являются едиными и неделимыми далее веществами.
Несколько позднее англичанин Роберт Бойль в известном труде «The Sceptical Chemist»[26] задает риторический вопрос: действительно ли существуют элементы, иначе называемые началами? И сам же отвечает: «Под элементами я понимаю определенные исходные и простые, или полностью несмешанные вещества… Они являются составными частями, из коих слагаются все так называемые полностью смешанные вещества и на каковые последние можно разложить[27]».
После 1700 года эпоху алхимии сменил период флогистонной химии[28]; последняя, хотя и исходила из неверных предпосылок при объяснении процесса горения, однако позволила классифицировать ряд химических превращений. С открытием кислорода в 1771 году[29] и правильным объяснением процесса горения Лавуазье закончился этот отрезок истории химической науки[30].
Благодаря французу Антуану Лавуазье химия приобрела характер точной науки — учения об элементах и веществах и их соединении в определенных отношениях. Превращение элементов друг в друга отбрасывалось как невозможное. В труде «Traite elementaire de chimie»[31], изданном в 1789 году в Париже, Лавуазье приводит уже 22 из известных сегодня химических элементов. Среди них азот, кислород, водород, углерод, сера, фосфор и все известные в то время металлы. Французский химик ошибочно отнес к списку элементов также оксид алюминия, барит, известь, магнезию и кварц[32]. Лишь позднее поняли, что здесь, в действительности, речь идет о соединениях таких химических элементов, которые еще не умели выделить в виде простых веществ.
К началу XIX века, который после изобретения паровой машины обещал стать веком промышленного прогресса, удалось с помощью электрического тока выделить такие элементы, как алюминий, барий, кальций, магний и кремний, а также щелочные металлы, галогены и тяжелые металлы.
В 1804 году английский химик Дальтон установил закон кратных отношений[33]. В соответствии с ним химические элементы должны соединяться только в определенных, постоянных соотношениях. Дальтон развил представления Лавуазье, приняв, что в основе таких превращений лежат мельчайшие кирпичики природы — атомы химических элементов.
Шведский химик Берцелиус в 1818 году впервые опубликовал таблицу, в которой привел атомные массы всех известных к тому времени химических элементов Он ввел символику химических элементов, которая в основном принята и в настоящее время. В ту пору быстро поняли, насколько важно точно знать атомные массы для выяснения химических реакций и нахождения формул соединений, потому вклад Берцелиуса был высоко оценен[34].
Бунзен и Кирхгоф[35] использовали спектральный анализ как новый метод для идентификации химических элементов. Они обнаружили, что отдельные простые вещества в газообразном состоянии при их возбуждении испускают свет определенной длины волны, в результате чего появляются характеристические линии в спектрах испускания или поглощения. С помощью спектрального анализа с 1860 по 1863 годы были открыты цезий, индий, рубидий и таллий, так что число известных элементов в химии возросло до 63. Таким образом, накопился обширный ряд разнообразнейших природных простых веществ, подобранный без каких-либо видимых правил и без внутреннего порядка. Однако вряд ли кто-либо из ученых считал в то время, что уже открыты все кирпичики природы; никто не мог предсказать, сколько еще неизвестных элементов ожидают своего открытия. Только с начала XIX века было найдено 28 новых элементов — почти половина из всех известных к тому времени. Можно было опасаться, что с развитием и совершенствованием техники исследования число элементов когда-нибудь станет столь же необозримым, как число звезд на ночном небосводе.

Система химических элементов

Как только речь зашла о формулах химических соединений, то обнаружилось, что путаница с химическими элементами привела к значительным расхождениям во мнениях, даже среди выдающихся ученых. Когда в середине прошлого века число элементов и их соединений резко возросло и многие химики придумывали свою «собственную формулу», немецкий химик Лотар Мейер очень точно заметил, что «путаница достигла апогея». Для некоторых неорганических соединений существовало несколько эмпирических формул. Еще хуже обстояло дело в органической химии. Только для одного такого несложного вещества, как уксусная кислота СН3СООН, насчитывалось к этому времени шестнадцать различных формул.
На международном Конгрессе химиков в сентябре 1860 года в Карлсруэ, на котором присутствовали Лотар Мейер и Дмитрий Иванович Менделеев, проводились поиски путей для создания единой классификации элементов[36]. Однако только в 1869 году Менделееву и Мейеру удалось, независимо друг от друга, прийти к утверждению: если расположить все химические элементы в систему по возрастающему атомному весу, сегодня именуемому относительной атомной массой, то их свойства обнаруживают отчетливую периодичность[37]. Это фундаментальное открытие Д. И. Менделеева было сообщено 6 марта 1869 года на заседании Русского химического общества в Петербурге. Работа Лотара Мейера, которую он опубликовал в «Аннален дер хеми» в 1870 году, датирована декабрем того же года. Обе публикации отлично дополняют друг друга, так что Д. И. Менделеев в своей знаменитой статье от 30 декабря 1870 года «О естественной системе элементов и ее применении для предсказания свойств еще неоткрытых элементов» смог сделать еще один шаг вперед: впервые оказалось возможным ограничить недостающие элементы определенным числом и точно закрепить их место в периодической системе.
Обнаружилось, что в естественной системе элементов, установленной Менделеевым в 1870 году, оставалось не более 24 свободных мест для еще неизвестных элементов; 24 «белых пятна» на «химической карте»- так обозначил русский химик эти пустые места. Между самым легким элементом — водородом и самым тяжелым — ураном оставалось открыть еще 23 неизвестных химических элемента. К этому следовало, быть может, добавить еще 24-й элемент, который располагался непосредственно за ураном и для которого Менделеев оставил в системе свободное место[38]. Предвидение Менделеева шло так далеко, что он описал даже свойства, которые должны были иметь еще неизвестные элементы, и дал указания, где их следовало бы искать. Его немецкий коллега, Лотар Мейер, позднее дал понять, что ему недоставало «отваги для таких далеко идущих предположений» при разработке расположения элементов. Менделеев же писал: «Утверждение закона возможно только при помощи вывода из него следствий, без него невозможных и не ожидаемых, и оправдания тех следствий в опытной проверке»[39].

Примечания:

22 История открытия фосфора — одна из самых интересных в истории открытия химических элементов и ее стоит рассказать подробнее.

Хенниг Бранд начал с того, что уверовал, будто моча содержит первоматерию. Посему он собрал в солдатских казармах около тонны исходного вещества. Получив после ряда описанных в тексте манипуляций светящийся порошок, он, естественно, принял его за то, что искал, то есть за первичную материю. Дело стало за малым — получить из чудесной светоносной пыли золото. Но это-то и не удалось сделать Бранду. По словам В. Л. Рабиновича «мифическое сознание наталкивалось на внемифическую реальность. Иллюзия рушилась, зато обретала иную — научно-коммерческую жизнь, в некотором смысле тоже мифическую» (Алхимия как феномен средневековой культуры. М.: Наука, 1979, с. 172).

Эта вторая жизнь «светоносца» началась с того, что два приятеля, И. Кункель фон Левенштейн и Д. Крафт. прослышав об открытии Бранда, решили купить у него секрет приготовления фосфора. Случилось так, что Крафт обманул Кункеля, купив секрет у Бранда и организовав собственное, весьма доходное, дело.

Как-то во время показа фосфора при дворе ганноверского государя на сеанс зашел Г. В. Лейбниц. Пораженный тем, что он увидел, Лейбниц также покупает у Бранда его секрет.

Вслед за Лейбницем о приготовлении фосфора узнает некогда одураченный Крафтом Кункель и тоже начинает торговать светящимся порошком, а один из его друзей публикует трактат: «Постоянный ночной светильник, иногда сверкающий, который долго искали и наконец нашли».

В сентябре 1677 года Крафт посещает Р. Бойля и у него дома, в присутствии нескольких членов Королевского общества, показывает свечение фосфора. Бойль разгадал тайну получения препарата, в чем ему помог его ассистент А. Г. Хэнквиц. Бойль пишет статью, озаглавленную «Способ приготовления фосфора из человеческой мочи» (датирована 14 октября 1680 года), и в запечатанном конверте передает ее в Королевское общество с припиской «… не вскрывать без согласия автора». (Статья была напечатана только после смерти Бойля — в 1693 году). Но в 1680 и 1682 годах Бойль опубликовал два трактата, посвященных фосфору.

Хэнквиц между тем поставил торговлю фосфором «в виде изящных белых сигарообразных палочек» на широкую ногу.

А что стало с остальными героями этой истории? И Бранд, и Крафт, и Кункель желали большего, чем необычайное свечение. — им надо было золото. Но золото получить не удавалось. Кункель оставил эту затею. Бранд по протекции Лейбница устроился при дворе ганноверского государя, а обманщик Крафт разорился. Прим. реценз.

23 Парацельс, подлинное имя Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм (1493-1541) — немецкий врач и химик. Создал новое медицинское учение, опиравшееся на наблюдения врачей, аптекарей, алхимиков разных стран. Большое значение Гогенгейм придавал роли химии в медицине. Согласно основанному им учению- иатрохимии (от греч. «иатрос»- врач), — главная причина болезней состоит в нарушении химических процессов в организме. «Не надо говорить: алхимия, делай золото и серебро, — писал Парацельс, — следует сказать: делай arcana (лат. arcana medicamentia — тайные средства) и тем излечивай от болезней». Псевдоним Paracelsus означает «превосходящий Цельса» (Авл Корнелий Цельс, ок. 25 года до н..э. —ок. 50 года н. э., древнеримский врач). Прим. реценз.

24 «Малый физический свод» (лат.).

25 Указанная работа И. Юнгиуса (1587-1657), выдающегося немецкого логика, математика, медика и химика, действительно была написана около 1630 года, но издана только после смерти автора, в 1662 году. Прим. реценз.

26 «Химик-скептик» (англ.).

27 «Химик-скептик» Р. Бойля (1627-1691) написан в форме диалога. Один из его участников (Элевтериус) в ходе беседы обращается к другому (Карнеаду, представляющему взгляды Бойля) с такими словами: «… После того, как Вы столь непринужденно изложили свои сомнения в том, существует ли какое-либо определенное число элементов, не обратитесь ли Вы к вопросу о том, существуют ли элементы вообще». На что Карнеад отвечает: «Не будет абсурдным сомневаться в этом, ибо надо еще доказать, столь ли уж необходимо допускать существование каких-либо элементов или гипостатированных начал вообще». И далее, чтобы быть правильно понятым, Бойль-Карнеад формулирует традиционное для своего времени понимание элемента, приведенное в основном тексте. Но корпускулярное учение самого Бойля не оставляло места для химических элементов. (Подробнее см. Всеобщая история химии. Становление химии как науки. М.: Наука, 1983, гл. 1). Прим. реценз.

28 Следует заметить, что хотя концепция флогистона была сформулирована Шталем в 1697 году, более или менее широкое распространение она получила лишь в 1750 годах и, кстати, неоднократно видоизменялась разными авторами. Поэтому «период флогистонной химии» в действительности продолжался сравнительно недолго — около 30 лет. Прим. реценз.

29 Открытие кислорода, тесно связанное с формированием правильного понимания процессов горения и кальцинации заняло у Лавуазье определенное время — с 1771 по 1774 год. Прим. реценз.

30 М.В. Ломоносов в 1741 году выдвинул корпускулярную теорию. В сочинении «Элементы математической химии» он писал: «Корпускулы однородны, если состоят из одинакового числа одних и тех же элементов, соединенных одинаковым образом: корпускулы разнородны, когда элементы их различны и соединены различным образом и в различном числе; от этого зависит бесконечное разнообразие тел». Под «элементом» М. В. Ломоносов разумел атом, под корпускулой — молекулу. Здесь заключены и идея простого и сложного вещества, и понятие изомерии, и возможность образования молекул из одинаковых атомов (которая отрицалась даже 100 лет спустя такими видными химиками, как, например, Берцелиус). Ломоносов первым ввел в опыт весы. Благодаря этому ему удалось в 1756 году экспериментально опровергнуть флогистонную теорию. Опыты накаливания металлов в «запаянных накрепко стеклянных сосудах» показали, что «без пропущения внешнего воздуха вес сожженного металла остается в одной мере». Этим намечались также основы новой трактовки процессов окисления. — Прим. ред.

31 «Начальный курс химии» (франц.).

32 С понятием об элементе Лавуазье связывал «представление о последнем пределе, достигаемом анализом», оговаривая, что тогда «все вещества, которые мы еще не смогли никаким образом разложить, будут для нас элементами». Поэтому многие вещества, которые к концу XVIII века еще не удалось разложить, Лавуазье условно относил к элементам. Прим. реценз.

33 По свидетельству самого Д. Дальтона и в соответствии с записями в его лабораторном журнале закон кратных отношений был им открыт в 1803 году. Дальтон Джон (1766-1844) — выдающийся английский ученый, создатель химической атомистики. Впервые указал путь определения относительных атомных весов и установил взаимосвязь между теоретическими представлениями об атомах и элементах и опытными данными по составу химических соединений. Кроме того, Дальтон с ранней молодости и до последнего дня жизни проводил метеорологические наблюдения. Именно в процессе изучения состава атмосферы и составляющих ее газов Дальтон пришел к атомной теории.

В 1792 году Дальтон открыл дефект зрения, называемый ныне дальтонизмом. Прим. реценз.

34 Берцелиус Йене Якоб (1779-1848) — выдающийся шведский химик, с именем которого связано утверждение атомистической теории в химии, создание электрохимической концепции химического сродства и другие открытия. Им были выполнены химические анализы многих соединений и усовершенствованы аналитические методы. Прим. реценз.

35 Спектральный анализ был открыт немецкими учеными Р. В. Бунзеном (1811- 1899) и Г. Р. Кирхгофом (1824-1887) в 1860 году. Прим. реценз.

36 Автор несколько односторонне оценивает задачи Конгресса и его роль в развитии химии. К концу 1850-х годов путаница и неразбериха, связанная с употреблением различных систем атомных весов и химических формул, а также со смешением понятий атом, молекула, простое вещество и элемент, достигла своего апогея. Именно с целью упорядочения и систематизации основ химической науки и был созван Конгресс. Прим. реценз.

37 Прежде всего отметим некоторое противоречие в тексте Гофмана: сначала он утверждает, что Д. И. Менделееву и Л. Мейеру удалось открыть периодический закон в 1869 году, а затем пишет о том, что работа Мейера появилась в 1870 году, тогда как Менделеев сообщил о своем открытии в марте 1869 года.

Так как вопрос о приоритете в истории открытия периодического закона имеет долгую историю, на нем следует остановиться особо. Сначала обратимся к фактологической стороне дела.

Дата открытия периодического закона Менделеевым известна с точностью до дня -17 февраля (1 марта) 1869 года. Через несколько дней таблица, которую он назвал «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве», была напечатана на русском и французском языках и разослана Менделеевым русским и зарубежным ученым. Кроме того, Менделеев поместил таблицу на контртитуле первого выпуска «Основ химии» (СПб, 1869) и упомянул о ней в предисловии к нему (предисловие датировано мартом 1869 года). 6(18) марта 1869 года Н.А.Меншуткин от имени Менделеева сделал сообщение о соотношении свойств с атомным весом элементов, где содержались практически все основные положения, составляющие суть периодического закона. Это сообщение было опубликовано в мае 1869 года в журнале Русского химического общества (1869, т. 1, вып. 2-3, с. 60-77). Следующее публичное сообщение об открытии закона сделано уже самим Менделеевым в августе 1869 года на втором Съезде русских естествоиспытателей и врачей в Москве. В этом сообщении Менделеев углубляет понимание закона, показывая, что атомные объемы простых тел являются периодической функцией от атомных весов.

Далее, 15 октября 1869 года на заседании Русского химического общества Менделеев сделал сообщение «О количестве кислорода в соляных окислах и об атомности элементов», где показал, что высшая валентность элемента в солеобразующем оксиде есть периодическая функция атомного веса.

В. Ю. Рихтер для журнала Немецкого химического общества написал большой реферат, в котором сообщил о периодическом законе Менделеева, а также о том, что Менделеев предсказал ряд неизвестных элементов, исправил атомный вес урана на 240 (вместо 120), тория-на 232 (вместо 116), церия-на 138 (вместо 98), индия- на 113 (вместо 75,6). Этот реферат появился в декабре 1870 года (Berichte, 1870, Bd. Ill, S. 990-992). Кроме того, еще в 1869 году в немецком журнале Zeitschrift fur Chemie (Bd. V. S. 405-406) напечатан реферат статьи Д. И. Менделеева «Соотношение свойств с атомным весом элементов».

Теперь о Л. Мейере. В 1864 году он опубликовал книгу «Современные теории химии и их значение для химической статики» (русский перевод: Л. Мейер. Основания теоретической химии. СПб. 1894), где была приведена таблица элементов. Эта таблица, во-первых, содержала лишь 44 элемента из 63 тогда известных, во-вторых, элементы будущих дополнительных подгрупп стояли в ней обособленно от остальных и, в-третьих, автором не было сделано никаких обобщений, касающихся закономерной связи элементов. В 1870 году появилась статья Мейера «Природа химических элементов как функция их атомных весов» (Annalen der Chemie und Pharmacie, 1870, VII Supplementband Drittes Heft. S. 354-364; статья поступила в редакцию 17 марта 1870 года). В этой статье содержалась таблица, которая, по словам самого Мейера, «в существенных чертах тождественна таблице, данной г. .Менделеевым». К сказанному уместно добавить и другие слова Мейера по поводу приоритета в открытии закона: «В 1869 году, раньше, чем я высказал свои мысли о периодичности свойств элементов, появился реферат статьи Менделеева, в которой написано, что: 1) при расположении элементов в порядке восходящих атомных весов наблюдается ступенчатое (у Менделеева — периодическое — И. Д) изменение свойств элементов, 2) величина атомных весов определяет свойства элементов: 3) атомные веса некоторых элементов требуют исправления: 4) должны существовать некоторые еще не открытые элементы… Это все было Менделеевым опубликовано до меня и вообще впервые. Я открыто сознаюсь, что у меня не хватило смелости для таких дальновидных предположений, какие с уверенностью высказал Менделеев» (цит. по кн.: В. И. Семишин. Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. М.: Наука, 1972, с. 40).

Если же говорить о сути дела, то выводы Мейера не идут ни в какое сравнение с мыслями Менделеева, и не только потому, что последний сделал замечательные предсказания, но и потому, что открытие периодического закона означало пересмотр и углубление всей системы химических понятий (атома, элемента, простого тела, валентности, формы соединения и т.д.), а по глубине и силе обобщения известных многочисленных фактов вообще не имело себе равных в истории химии. Вот почему нельзя говорить об одновременном и независимом открытии периодического закона, периодической системы и подавно о создании учения о периодичности Менделеевым и Мейером. Прим. реценз.

38 Вопрос о верхней границе периодической системы элементов во времена Менделеева (как и сейчас) оставался открытым.

39 Менделеев Д. И. Основы химии, 8-е изд. СПб, 1906, с. 323. — Прим. ред.


Главы из книги Клауса Гофмана
Можно ли сделать золото? Мошенники, обманщики и ученые в истории химических элементов