Как были открыты химические элементы

По своему содержанию теория флогистона была очень проста, а потому и казалась убедительной. Ее название происходит от греческого слова флогистос, обозначающего «воспламеняющийся». Для чего она была нужна? Для объяснения процессов, протекающих при горении, обжиге металлов и дыхании. Суть их была непонятна. Вот и возникла идея о существовании материи, которая как бы является главным действующим лицом во всех упомянутых процессах, — появилась идея о флогистоне.

Хотя мысли о «горючей материи» в той или иной форме высказывались несколькими учеными, подлинным основателем концепции флогистона считается немецкий химик и врач Г. Шталь. Вот как рассуждал этот исследователь. Тела могут гореть только благодаря наличию в них флогистона. Чем больше флогистона содержит данное тело, тем активнее оно сгорает. Уголь — вот пример вещества, состоящего почти из одного флогистона. При обжиге металлов они превращаются в «извести» (земли) вследствие потери флогистона. Если к прокаленному металлу добавить флогистон, снова получится чистый металл. Хороший пример тому — прокаливание металлической окалины с углем. Процесс, хорошо известный даже древним металлургам.

На языке представлений современной химии все это означает следующее: в ходе реакции окисления (например, образование оксида при обжиге металла) флогистон теряется; при реакции восстановления (прокаливание оксида металла с углем) флогистон, напротив, приобретается. Все очень просто и очень наглядно. Но даже начинающему химику в наше время видно, что теория флогистона ошибочна. Ведь из нее следовало, что вес вещества при горении должен уменьшаться, а не увеличиваться; оксид металла должен быть легче самого металла. Если принять концепцию флогистона, то металлы надо рассматривать как сложные вещества (металл+флогистон), а их оксиды (земли) — как простые (металл–флогистон).

И тем не менее теория флогистона просуществовала в науке около столетия, и ее ревностно исповедовали крупнейшие химики того времени, в том числе Г. Кавендиш, Дж. Пристли и К. Шееле, с именами которых и связаны открытия элементов воздуха и воды. На начальных стадиях этих открытий представления теории флогистона сыграли существенную роль.

Пробудившийся у химиков интерес к изучению газов способствовал возникновению пневматической химии, и это был второй логически неизбежный шаг к ознакомлению с будущими водородом, азотом и кислородом. Изучение газов долго затруднялось тем, что не было удобных методов их получения, собирания и, наконец, исследования их свойств. Мочевой пузырь животных служил едва ли не единственным экспериментальным прибором — емкостью, куда можно было собирать выделяющиеся газы и взвешивать их. Познавать газ оказалось значительно труднее, чем изучать твердые и жидкие вещества.

В начале XVIII в. английский ученый С. Гейлс изобрел пневматическую ванну. В этом аппарате сосуд, где образовывался газ (реторта с реакционной смесью), был отделен от приемника, где выделяющийся газ собирался. Роль приемника выполняла перевернутая колба, заполненная водой. Проникая в нее, пузырьки газа вытесняли воду, и колба заполнялась исследуемым газом.

Пневматической ванной воспользовался другой английский ученый Дж. Блэк (один из основателей пневматической химии). Он изучал вещества, давным-давно известные, — известь и белую магнезию (карбонаты кальция и магния). При обжиге и действии кислот из них выделялся газ. Теперь легко сообразить, что это был тот самый «лесной дух», который получал И. Ван-Гельмонт, сжигая древесный уголь. Но И. Ван-Гельмонт не пошел дальше констатации факта и туманных рассуждений. Дж. Блэк же заметно продвинулся вперед. Он обратил внимание на то, что образующиеся (после обжига или действия кислот) вещества могут быть вновь переведены в исходное состояние.

Современный химик прокомментирует достижение Дж. Блэка следующим образом: ученый провел прямую реакцию (разложил карбонаты на оксиды и углекислый газ) и осуществил обратную реакцию (присоединил углекислый газ к оксидам, получив исходный продукт). Масса исходных продуктов полностью восстанавливалась, и тем самым Дж. Блэк сделал то, чего ранее никому не удавалось.

Он взвесил газ в связанном состоянии. Этот газ он назвал связанным или фиксируемым воздухом. Газ выделялся в процессах брожения, при горении древесного угля, но не поддерживал дыхания и горения. И являлся, согласно Дж. Блэку, самостоятельной составной частью атмосферного воздуха.

Так, в 1754 г. под названием «фиксируемого воздуха» был открыт углекислый газ, и событие это сыграло огромную роль для последующего обнаружения других газов прежде всего потому, что после неизбежных споров и дискуссий ученые стали рассматривать его не как разновидность воздуха, а как самостоятельное вещество, отличное от воздуха, притом содержащееся во многих твердых телах. И поскольку при присоединении углекислого газа к оксидам масса образующегося продукта превышала массу исходного, подрывался основной принцип флогистонной теории. Прошло немало времени, прежде чем удалось это осознать. Флогистонная теория долгое время оставалась по сути дела единственным компасом для объяснения многих наблюдений пневматической химии.

ВОДОРОД

Это один из самых удивительных элементов периодической системы — первый ее представитель, наиболее легкий из существующих газов. Элемент, открытие которого стало ключом к решению многих проблем химической теории. Элемент, атом которого, теряя единственный валентный электрон, становится «голым» протоном. И потому химия водорода — это единственная в своем роде химия элементарной частицы.

Когда-то Д. И. Менделеев назвал водород наиболее типическим из типических элементов (к ним он относил элементы коротких периодов системы): ведь именно водородом начинается естественный ряд химических элементов.

И такой удивительный элемент легкодоступен: в любой школьной лаборатории получить его не составляет труда, например, подействовав соляной кислотой на цинковые стружки.

Еще в те далекие времена, когда химия не была наукой, когда алхимики колдовали над философским камнем, тогда уже были известны такие кислоты, как соляная, серная и азотная, и были известны некоторые металлы, такие, как железо и цинк. Иными словами, в человеческих руках находились все те компоненты, взаимодействие которых порождает водород. Нужен был лишь случай. И таких случаев бывало немало в XVI–XVIII вв. И это лишь те, которые описаны в химической литературе. Много раз исследователи наблюдали, как при действии, скажем, серной кислоты на железные стружки образовывались пузырьки газа — разновидность воздуха, которая воспламеняется.

Среди тех, кому удалось наблюдать выделение загадочной разновидности воздуха, был наш великий соотечественник М. В. Ломоносов. В 1745 г. он написал диссертацию под названием «О металлическом блеске». В ней находим следующие слова: «При растворении какого-либо неблагородного металла, особенно железа, в кислотных спиртах из отверстия склянки вырывается горючий пар…» [3] . (Кислотными спиртами по терминологии тех времен назывались кислоты.) А стало быть, не что иное, как водород, наблюдал М. В. Ломоносов. Но если мы продолжим фразу, оборванную отточием, то прочтем: «…который представляет собой… флогистон». Растворяясь в кислоте, металл исчезал. При этом он выделял горючее начало, горючий пар. Очень удобный повод предположить, что в ходе растворения металл теряет флогистон: все хорошо укладывается в рамки флогистонной теории.

3

Ломоносов М. В. Полн. собр. соч., т. I, с. 349–367.

Здесь в нашем повествовании впервые появляется замечательный английский ученый Г. Кавендиш, человек, фанатически преданный науке, великолепный экспериментатор. Г. Кавендиш никогда не торопился с опубликованием результатов своих работ, и порой проходило несколько лет, прежде чем появлялись его статьи. Поэтому трудно назвать точную дату, когда ученый наблюдал и описал выделение горючего воздуха. Известно лишь, что эта работа, проведенная в русле пневматической химии, называлась «Опыты с искусственным воздухом» и была опубликована в 1766 г. Можно также предполагать, что она была сделана под влиянием Дж. Блэка. Г. Кавендиш заинтересовался фиксируемым воздухом и решил проверить, не существуют ли и другие виды искусственного воздуха. Так ученый именовал разновидность воздуха, содержащегося в веществах в связанном состоянии, которые можно выделить из них искусственным путем. О том, что горючий воздух не раз наблюдали, Г. Кавендиш знал. Он сам получал его тем же методом действием серной и соляной кислот на железо, цинк и олово, но, пожалуй, первым убедился окончательно, что во всех случаях образуется один и тот же вид воздуха — все тот же горючий воздух. И первым среди исследователей Г. Кавендиш пришел к идее о самобытности горючего воздуха. Как флогистик, Г. Кавендиш мог лишь однозначно толковать его природу. Вслед за М. В. Ломоносовым он счел будущий водород флогистоном. Изучая и описывая свойства горючего воздуха, он полагал, что исследует свойства флогистона. Г. Кавендиш считал далее, что разные металлы содержат горючий воздух в различных пропорциях. Итак, к фиксируемому воздуху Дж. Блэка добавился горючий воздух Г. Кавендиша. Если взглянуть на вещи строже, то оба эти ученых не открыли чего-нибудь нового. Каждый из них подвел определенные итоги предшествующим наблюдениям. Но эти итоги представляли собой существенные шаги в развитии человеческого познания.

Связанный и горючий воздух отличались от обычного воздуха и друг от друга. Горючий воздух поражал своей легкостью. Как убедился Г. Кавендиш, выделенный им флогистон имел массу. Ученый первым ввел количественную величину для характеристики различных газов — плотность. Приняв за единицу плотность воздуха, Г. Кавендиш получил для горючего воздуха 0,09 (для связанного 1,57). Но тем самым Г. Кавендиш-экспериментатор вступил в противоречие с Г. Кавендишем-флогистиком. Раз горючий воздух имел положительную массу, то его никак нельзя было считать чистым флогистоном. Иначе металлы, теряя горючий воздух, должны были терять и в массе. Спасая положение, Г. Кавендиш выдвинул своеобразную гипотезу: горючий воздух есть соединение флогистона с водой. И смысл в ней был лишь тот, как оказалось потом, что наконец-то в составе горючего воздуха появился водород.