Великие химики. Том 1

— Тогда кислоты должны быть отрицательно заряженными, не так ли? — спросил его Хизингер.

— Конечно. Все опыты дают нам одни и те же результаты. Металлы тоже должны быть положительными, как и основания, которые они образуют, потому что они тоже выделяются на отрицательном полюсе.

— Помнишь, Йене, несколько дней назад ты рассказал мне об исследованиях англичанина Гемфри Дэви. Он установил, что основание содержит кислород. Но ведь, по мнению Лавуазье, кислоты содержат кислород?

— Они оба правы, Вильгельм. Основания получаются при соединении металла с кислородом, а кислоты — при соединении неметалла с кислородом.

Эти первоначальные наблюдения легли в основу известной дуалистической электрохимической теории. Молодой Берцелиус работал над ней в течение последующих лет, и она стала впоследствии отправной точкой в трудах ученых первой четверти XIX века.

Результаты этих исследований Берцелиус и Хизингер описали в статье, которая осталась почти не замеченной учеными.

Внимание обоих исследователей привлек интересный минерал. Они разлагали его концентрированной серной кислотой и попытались получить с помощью электрического тока содержащийся в нем металл. Однако это им не удалось: вместо металла на отрицательном полюсе образовалось бесцветное, с едва заметным желтым оттенком порошкообразное вещество, нерастворимое в воде. Назвали его цериевой землей, или церием.

— Несомненно, это окись какого-нибудь неизвестного металла, но, к сожалению, он очень прочно связан с кислородом. Даже электричество не может их разъединить.

— Все-таки это важное открытие, — сказал Хизингер. — И пусть кто-то другой получит чистый металл, окисел которого открыли мы.

Независимо от них в Германии Мартин Клапрот [339] тоже получил эту окись, но и он не смог выделить чистый металл.

Предвидение Хизингера сбылось. Спустя почти три десятилетия Карлу Густаву Мосандеру [340] удалось выделить чистый металл — церий.

Берцелиус всегда работал углубленно и точно. Его считали одним из самых образованных людей в Швеции. В мае 1806 года он был назначен лектором химии в Хирургическую школу. Таким образом отпала забота о заработке. Кроме работы в лаборатории, он начал писать учебник по физиологической химии. Просматривая литературу в библиотеке, он наткнулся на книгу Иеремии Рихтера [341] «Основные начала стехиометрии или искусство измерять элементы». В этой книге Рихтер говорил о «соединительных весах». Рассматривая реакции между кислотами и основаниями, он делал важный вывод: «Если определенное количество кислоты нейтрализуется различными основаниями, то количества оснований эквивалентны между собой и могут нейтрализоваться одним и тем же количеством другой кислоты». Эти количества Рихтер назвал соединительными весами.

339

Мартин Генрих Клапрот (1743–1817) — немецкий химик-аналитик,почетный иностранный член Петербургской Академии наук, профессор химии в Берлине, один из первых сторонников Лавуазье в Германии; ввел в химию операции сушки и прокаливания осадков; открыл четыре новых элемента (уран и цирконий в 1789 г., титан в 1795 г., церий в 1803 г.). О Клапроте см.: Джуа М., ук. соч., с. 151; Bugge G., ук. соч., т. I, с. 334–341; Dann G. E. Martin Heinrich Klaproth. — Berlin: Akademie-Verlag, 1958; Становление химии как науки, ук. соч., с. 138–140 и сл.; Сабадвари Ф., Робинсон А., ук. соч., с. 88–92; Волков В. А. и др., ук. соч., с. 238–239.

340

Карл Густав Мосандер (1797–1858) — ученик Берцелиуса и его преемник по кафедре химии, исследователь редких земель, открывший в 1839 г. лантан, а в 1843 г. эрбий и тербий. В исторической литературе по химии не сообщается об участии Мосандера в открытии церия (Фигуровский Н. А., ук. соч., с. 143; Становление химии как пауки, ук. соч., с. 207 и др.; Волков В. А. и др., ук. соч., с. 345).

341

Иеремия Вениамин Рихтер (1702–1807) — немецкий химик-технолог, иностранный чл.-корр. Петербургской Академии наук, открыл закон эквивалентов (1792–1806 гг.), на протяжении длительного времени был последователем флогистонной теории. Его сочинение «Начальные основания стехиометрии или искусства измерения химических элементов» (1792–1794 гг.) не было по достоинству оценено современниками. Новый термин «стехиометрия» — искусство измерения химических элементов, основанное на законах, согласно которым они соединяются между собой, вошел в употребление спустя долгое время. О Рихтере см.: Джуа М.. ук. соч., с. 164; Становление химии как науки, ук. соч., с. 437–448; Сабадвари Ф., Робинсон А., ук. соч., с. 78–81; Волков В. А. и др., ук. соч., с. 431–432.

Несколько дней спустя Берцелиус прочитал знаменитые статьи Джона Дальтона об атомной теории и о первых попытках определить атомный вес элементов.

Берцелиус нашел идеи Дальтона многообещающими и стал ревностным приверженцем атомной теории. Но его критический склад ума и тонкая интуиция искусного аналитика подсказали ему, что данных, приведенных во многих статьях, недостаточно. Надо было синтезировать все возможные соединения какого-либо элемента, с большой точностью проанализировать их, вычислить соединительные веса, и только тогда можно было установить истинную величину атомного веса. Это была весьма нелегкая задача, труд, непосильный одному человеку. И все-таки Берцелиус занялся установлением атомных весов. Он понимал, что для достижения цели требовалось много труда и времени, но это не могло остановить его. Он решил атаковать элементы один за другим и определить их атомные веса.

Берцелиус начал с самого простого вещества — воды. Тщательно проведенные анализы позволили установить ее процентный состав: 11% водорода и 89% кислорода.

— Если за основу возьмем атом водорода, то получится, что одной весовой части водорода соответствуют 8 весовых частей кислорода, а не 7, как определил Дальтон. Можно ли быть наверняка уверенным, что один атом водорода соединяется с одним атомом кислорода? Это только предположение. Если атом водорода вступает во взаимодействие с двумя атомами кислорода, атомный вес последнего должен быть равен 4. В противном случае, когда два водородных атома связываются с одним атомом кислорода, атомный вес кислорода будет равен 16. Как видим, возможно несколько сочетаний, следовательно, приходится искать способ установления истины.

Берцелиус не находил покоя: как выйти из этого заколдованного круга?

В 1807 году его назначили профессором Стокгольмского университета, а через год Берцелиус был уже членом Академии наук. Еще два года спустя ему было поручено руководство кафедрой химии и фармации Каролинского медико-хирургического института. Но по-прежнему для него существовала только одна, занимавшая все его мысли проблема — атомные веса.

Сравнивая результаты исследований многих ученых, Берцелиус пришел к выводу, что вода состоит из двух атомов водорода у одного атома кислорода. В таком случае атомный вес кислорода должен быть равен 16. Анализы шли хорошо, но трудность появилась в другом. Водород образовывал очень мало соединений с элементами, а с большинством вообще не соединялся. Надо было бы выбрать другой, более активный элемент, думал ученый.

Для Берцелиуса, как и для Лавуазье, кислород имел исключительное значение в химии. Он образовывал окислы со веема известными элементами. Кроме того, было известно и о других соединениях, которые также содержали кислород. Это давало возможность непосредственно определять атомные веса элементов по отношению к кислороду. Берцелиус твердо верил, что работа сильно упростится, если атомные веса определять по кислороду.

— Если атомный вес — условная величина, кратная основной единице, для сравнения удобнее выбрать кислород и при-пять его атомный вес за 100. Тогда элементы легче кислорода будут иметь атомные веса меньше 100, а более тяжелые — больше 100.

Однако самая важная проблема оставалась пока не решенной. Для каждого отдельного случая приходилось устанавливать формулу соединения, то есть определять число связанных между собой атомов, чтобы можно было вычислить атомный вес, изучать свойства веществ, сравнивать их, искать новые методы анализа.

Берцелиус был неутомимым. Число синтезированных, очищенных и проанализированных веществ нарастало с каждым месяцем — 100, 200, 300… Минули годы. Веществ стало 1000, а Берцелиус все еще продолжал работать — упорно и систематически. На протяжении почти 20 лет он изучил более 2000 соединений известных тогда 43 элементов, чтобы определить их атомные веса. Успех его был бесспорным, большая часть полученных значений определена с той же точностью, с какой и ныне вычислены атомные веса элементов.

Долгим и трудным был путь, по которому Берцелиус шел к истине. Например, он принимал, что одному атому металла, чтобы образовать окисел, нужно было связаться по крайней мере с одним атомом кислорода. На основании этого допущения он предложил следующие формулы окислов меди: CuO (для красного) и CuO₂ (для черного). Такое же предположение он сделал и в отношении двух окислов ртути: HgO и HgO₂. Поскольку окислы многих металлов были сходны по своим свойствам с черным окислом меди, Берцелиус написал их формулы следующим образом: CaO₂, MgO₂, ZnO₂, FeO₂ и так далее. Высший окисел железа содержал в полтора раза больше кислорода, поэтому его формула должна быть FeO₃. Окислы хрома и алюминия, свойства которых были аналогичны свойствам высшего окисла железа, Берцелиус обозначал формулами CrO₃ и AlO₃. Такие ошибочные представления о формулах этих окислов изменились только тогда, когда Берцелиус узнал, что хром образует еще один окисел, который взаимодействует с водой, давая хромовую кислоту. В соответствии с более высоким содержанием кислорода формулу этого окисла надо написать как CrO₆. Берцелиус изучил свойства хромовой кислоты и установил, что она сходна с серной кислотой. Но ангидридом серной кислоты является SO₃, тогда и ангидрид хромовой кислоты — CrO₃. В таком случае низший окисел хрома следовало обозначить формулой Cr₂O₃, а аналогичные по свойствам окислы железа и алюминия — формулами Fe₂O₃ и Al₂O₃. Применение этих формул требовало изменения формул и низших окислов: ZnO, CaO, FeO, MgO и так далее.

Берцелиус отнюдь не ограничивался только исследованиями, связанными с определениями атомных весов. Другая, не менее важная проблема — химическое сродство — заинтересовала его еще задолго до начала определений атомных весов. Во время своих первых опытов по изучению действия электричества Берцелиус пришел к мысли, что у элементов и их соединений есть электрический заряд. Он систематизировал свои наблюдения и выводы в целостную электрохимическую теорию, о которой впервые услышали после публикации его работы в 1811 году в «Физическом журнале» Метри [342] . Согласно теории Берцелиуса, металлы обладают положительным электрическим зарядом, а неметаллы — отрицательным. Самый отрицательный — кислород, а самый положительный — калий. Все остальные элементы по степени их электрического заряда находятся между ними. Свойства неметаллов отличаются некоторыми особенностями. По отношению к кислороду они положительны, поэтому могут соединяться с ним, образуя окислы, а по отношению к металлам — отрицательны и тоже могут соединяться с ними.

342

Жан Клод де ла Метри (1743–1817) — французский физик и натуралист, ученик Г. Бургаве, издатель «Журнала физики, химии, естественной истории и искусств». О Метри см.: Джуа М., ук. соч., с. 122, 146, 159; Bugge G., ук. соч., т. I, с. 294; Становление химии как науки, ук. соч., с. 67.