Как были открыты химические элементы

В 1860 г. Р. Бунзен и Г. Кирхгоф спектральным путем исследовали химический состав различных минеральных вод. В их лаборатории оказались воды Дюркхеймского минерального источника. После выделения из образца воды кальция, стронция, магния и лития капля упаренного раствора была исследована на спектроскопе. При этом экспериментаторы наблюдали две отчетливые голубые линии, близко расположенные друг от друга. Одна из них почти совпадала по своему местоположению на спектре с характерной линией стронция. Р. Бунзен и Г. Кирхгоф констатировали: неизвестно такого вещества, которое бы характеризовалось подобными линиями в спектре. Они пришли к заключению о существовании неизвестного простого вещества, принадлежащего к группе щелочных металлов. Мы предлагаем дать этому новому металлу, писали ученые, название «цезий» (символ Cs) от caesius (латинское слово. — Авт.). В старину это слово употребляли для обозначения голубизны верхней части небосвода. Благодаря прекрасному голубому цвету раскаленных паров этого нового элемента удалось доказать присутствие нескольких миллионных долей миллиграмма этого простого вещества в смеси с натрием, литием и стронцием.

^{Р. Бунзен}

11 апреля 1860 г. Р. Бунзен писал Г. Роско (соавтору по работе в области фотохимии) о своих изысканиях относительно нового щелочного металла. Сообщение об открытии цезия Р. Бунзен сделал 10 мая на заседании Берлинской Академии наук. Спустя полгода Р. Бунзен располагал уже 50 г почти чистого хлороплатината цезия. Чтобы получить это количество, пришлось переработать около 300 т минеральной воды (в качестве побочного продукта было выделено около 1 кг хлорида лития). Эти числа свидетельствуют, насколько ничтожным было содержание цезия в минеральных водах.

Через четыре года итальянский химик-аналитик Ф. Пизани занялся изучением поллукса, с которым в свое время работал К. Платтнер. Ф. Пизани сопутствовала удача: он обнаружил в минерале цезий и показал, в чем состояла ошибка К. Платтнера. Оказывается, немецкий исследователь ошибочно принял выделенный им сульфат будущего цезия за смесь сульфатов натрия и калия. До получения металлического цезия дело дошло, однако, нескоро. Только в 1882 г. немецкий химик К. Заттерберг выделил металл электролитическим методом (электролиз смеси цианидов CsCN и Ba(CN)₂). Независимо и почти одновременно цезий получил в России Н. Н. Бекетов, восстанавливая алюминат цезия (CsAlO₂) магнием в токе водорода.

РУБИДИЙ

Открытие второго по счету «спектрального элемента» связано с изучением редкого минерала лепидолита (его называли также лилалит из-за лилового цвета). Впервые детальный химический анализ лепидолита осуществил еще в конце XVIII в. М. Клапрот. Этот искусный аналитик не сумел обнаружить в нем присутствие щелочей. Усомнившись в результатах, М. Клапрот решил повторить анализ и на сей раз (1797) нашел в лепидолите следующие составные части: 54,5% оксида кремния, 38,25% оксида алюминия, 4% оксида калия и 0,75% оксида марганца. Исчезнувший (2,5%) остаток М. Клапрот отнес за счет потерь главным образом содержащейся в минерале воды. Но лепидолит все же оказался нераспознанным до конца. Сколь изобретательным ни был М. Клапрот, он не сумел установить содержание двух важных составляющих: лития (в то время он еще не был открыт) и фтора.

В начале 1861 г. в руки Р. Бунзена и Г. Кирхгофа попал образец этого минерала, найденного в Саксонии. Ученые выделили из него щелочные компоненты и осадили калий в виде хлороплатината. После тщательного промывания осадок был подвергнут спектральному анализу, и 23 февраля 1861 г. на заседании Берлинской Академии наук изобретатели спектроскопического метода объявили о существовании нового щелочного металла в лепидолите. «Великолепный темно-красный цвет линии нового щелочного металла позволяет нам дать этому элементу название „рубидий“ и символ Rb — от слова rubidus, которое в старинные времена служило для обозначения глубокого красного цвета», — говорили ученые. Затем Р. Бунзен и Г. Кирхгоф обнаружили рубидий в тех же минеральных водах, которые годом раньше послужили природным источником цезия. Содержание рубидия оказалось лишь немногим выше. Металл был приготовлен Р. Бунзеном в 1863 г.

ТАЛЛИЙ

Третьим элементом, чье присутствие в земных минералах было установлено спектроскопическим методом, стал таллий. По некоторым своим свойствам он оказался похожим на щелочные металлы. И были ученые, отказывавшие таллию в праве считаться самостоятельным химическим элементом. Они полагали, что в действительности он является смесью щелочных металлов, неизвестных еще тяжелых аналогов рубидия и цезия. Потребовалось время, чтобы развеять подобное заблуждение. В то время как Р. Бунзен и Г. Кирхгоф продолжали исследования только что обнаруженных ими элементов, метод спектрального анализа привлек внимание английского химика и физика В. Крукса. К этому моменту он был известен научному миру главным образом как издатель-редактор журнала «Химические новости» (Chemical News). Свой путь к открытию таллия В. Крукс начал весьма обыденно. Еще в 1850 г. он получил десять фунтов ила, остававшегося в свинцовых камерах после производства серной кислоты. Этим приобретением В. Крукс был обязан заводу в Тилькероде (Германия). Ученый выделял из ила селен, который был нужен ему для лабораторных исследований соединений, называемых селеноцианидами (им была посвящена первая печатная работа В. Крукса). После извлечения селена и его очистки оставалось некоторое количество вещества, причем имелись основания подозревать, что в нем содержится теллур — непосредственный аналог селена по химическим свойствам. Однако примененные В. Круксом методы не привели к выделению теллура. Работы были прекращены, и лишь по удачному стечению обстоятельств ученый сохранил остатки от переработки ила. И пожалуй, еще уверенность, что в остатках содержится теллур.

Обнаружение цезия и рубидия произвело огромное впечатление на В. Крукса. Будучи не только впечатлительным человеком, но и трезвым практиком, он сразу понял, насколько перспективным для анализа оказывался спектральный метод. Получив в свое распоряжение спектроскоп, ученый тут же решил испытать его в деле. Объектом исследования послужили хранившиеся более десяти лет образцы сернокислотного ила (точнее, остатки после удаления из него селена). И вот образчик ила внесен в пламя горелки. В. Крукса сначала ждет разочарование: в спектре нет никакого намека на линии теллура. Линии селена, возникавшие вроде бы в первый момент, постепенно блекли. Однако на смену им появлялась великолепная зеленая линия, которую ранее В. Крукс никогда не наблюдал. Как было не приписать ее появление присутствию в иле нового химического элемента. Ученый так и сделал, дав ему имя «таллий», которое производится от греческого слова таллос, означающего «молодая зеленая ветвь».

Первую публикацию об открытии В. Крукс поместил в выпуске «Химических новостей» от 30 марта 1861 г. под названием «О существовании нового элемента, вероятно из группы серы». Здесь была ошибка, так как известно, что таллий не имеет никакого отношения к сере и ее аналогам. Спустя год В. Крукс признал ее и свою новую работу назвал: «Таллий, новый металлический элемент», где аналогия с серой уже не рассматривалась.

Так был открыт таллий (слово «открыт» относится к факту констатации существования нового химического элемента спектроскопическим методом). Но В. Крукс не выделил металлического таллия, не приготовил даже его соединения сразу после того, как обнаружил спектр элемента. Это сделал французский химик К. Лами, и ему часто приписывают честь независимого открытия таллия.

Впервые К. Лами наблюдал зеленую линию таллия в образце селена, выделенного предварительно из илов сернокислотных производств (т. е. того же исходного сырья, с которым имел дело В. Крукс). Это произошло в марте 1862 г. — год спустя после наблюдений В. Крукса. Уже 23 июня К. Лами представил Парижской Академии наук образец металлического таллия массой около 14 г. В. Круксу, по-видимому, тоже удалось изготовить металлический таллий, но в виде порошка. К. Лами, однако, заявил, что круксовский таллий есть не что иное, как сульфид металла. Началась полемика. В. Крукс заявил, что металл в порошке ему удалось получить до 1 мая 1862 г., но из-за летучести он не отважился сплавить порошок, чтобы получить слиток. Специальная комиссия, созданная Парижской Академией (в нее входили такие видные ученые, как А. Сент-Клер Девилль, Т. Пелуз, Ж. Дюма), признала приоритет К. Лами в получении металла.

Французский ученый, бесспорно, сделал гораздо больше В. Крукса в изучении химии таллия. Он доказал, что металл образует трехвалентные и одновалентные соединения. Одновалентный таллий очень похож на щелочные металлы, трехвалентный — на алюминий. Ж. Дюма назвал его парадоксальным металлом. Сходство с натрием и калием и навело на мысль, что таллий на самом деле является смесью неизвестных щелочных металлов с большими атомными массами. Между тем, к сожалению, действительные заслуги французского химика в истории открытия таллия нередко остаются на заднем плане, и честь этого открытия безраздельно приписывается В. Круксу.

В 1866 г. известный путешественник и минералог Э. Норденшельд, один из исследователей Гренландии, обнаружил новый минерал, содержащий серебро, медь, селен и таллий. Он предложил назвать его крукезитом (в честь В. Крукса). Этот минерал долгое время считался единственным, содержащим заметную концентрацию таллия.

ИНДИЙ

В истории элементов бывало много случаев, когда открытие нового химического элемента самым непосредственным образом влияло на обнаружение другого. Таллий оказался своего рода катализатором, существенно ускорившим процесс открытия индия — последнего из классической четверки элементов, опознанных с помощью спектрального анализа.